JP2014073354A - Motorization unit for manual vehicle, method for controlling motorization unit for manual vehicle, electric wheelchair, and method for controlling electric wheelchair - Google Patents

Motorization unit for manual vehicle, method for controlling motorization unit for manual vehicle, electric wheelchair, and method for controlling electric wheelchair Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a motorization unit for a manual vehicle using active casters, a method for controlling the motorization unit for the manual vehicle, an electric wheelchair, and a method for controlling the electric wheelchair.SOLUTION: An electric wheelchair 100 has: two wheels 13 for manual operation; a body part 27 installed to a frame 12; a leg part 23 rotatable around a turning axis R; a drive wheel 21 disposed rotatably around a drive axis Q; a first electric motor 25 rotating the drive wheel 21; a second electric motor rotating the leg part; an operation part 230 operating a travel; and a control part driving the first electric motor 25 and the second electric motor on the basis of a signal outputted by the operation of the operation part 230.

Description

本発明は、全方向移動機構を用いた手動車両の電動化ユニット及び手動車両の電動化ユニットの制御方法並びに電動車いす及び電動車いすの制御方法に関する。   The present invention relates to a motorized unit for a manual vehicle using an omnidirectional moving mechanism, a method for controlling the motorized unit for a manual vehicle, an electric wheelchair, and a method for controlling an electric wheelchair.

昨今の高齢化社会への変化に伴い、移動支援装置の需要はますます増加すると予想されている。特に、電動車いすは、これまでのように障害者のみならず、高齢者もユーザーとして含まれてきており、そのニーズが拡大、多様化してきている。代表的なものとしてハンドル型電動車いす(いわゆるシニアカー)やジョイスティック型電動車いすなどが挙げられる。これらの電動車いすは、手動車いすに比べて小径の4つの車輪を有し、その内の2つの車輪を電気モータによる駆動輪としている。一般に電動車いすは、装置自体の重量が大きいため、自走以外の方法での運搬が容易ではない。   With the recent change to an aging society, demand for mobility support devices is expected to increase more and more. In particular, electric wheelchairs include not only disabled people but also elderly people as users, and their needs are expanding and diversifying. Typical examples include a handle type electric wheelchair (so-called senior car) and a joystick type electric wheelchair. These electric wheelchairs have four wheels having a smaller diameter than a manual wheelchair, and two of these wheels are driven wheels by an electric motor. In general, an electric wheelchair is not easy to carry by a method other than self-propelled because the weight of the device itself is large.

一方、電動で移動可能でありながら、比較的軽量で、運搬に便利である種類の車いすが最近注目され、その市場も拡大してきている。このような車いすは、手動車いすをベースとして、電動化ユニットを装着したタイプのもので、簡易電動車いすと呼ばれる(例えば、特許文献1〜特許文献5参照)。   On the other hand, a type of wheelchair that can be moved electrically but is relatively light and convenient for transportation has recently attracted attention, and its market has been expanding. Such a wheelchair is a type in which a motorized unit is mounted on the basis of a manual wheelchair, and is called a simple electric wheelchair (for example, see Patent Documents 1 to 5).

簡易電動車いすの長所は、電動車いすとして設計、製造されたものより軽量・簡便であり、総合的に安価になる場合が多いことである。また、電動車いすのように座いすの下に大型の蓄電池を積んでおらず、モータも小型化されているので従来の手動車いす同様折りたたみが可能となっている。このため、車いすを自動車の屋根上に積載するシステムを用いることで、障害者自身でも楽に車いすを自動車に積み込むことが可能である。   The advantages of simple electric wheelchairs are that they are lighter and simpler than those designed and manufactured as electric wheelchairs, and are often cheaper overall. In addition, a large storage battery is not stacked under the seat like an electric wheelchair, and the motor is downsized, so that it can be folded like a conventional manual wheelchair. For this reason, by using a system for loading a wheelchair on the roof of a car, a disabled person can easily load the wheelchair into the car.

簡易電動車いすは、大容量の蓄電池を搭載していないので、一充電あたりの移動距離は、電動車いすに比較して短い。しかしながら、手動車いすの構造を基本としていることから、電動での移動ができない場合には、手こぎによる移動が可能であるということも大きな特徴である。   Since the simple electric wheelchair is not equipped with a large-capacity storage battery, the movement distance per charge is shorter than that of the electric wheelchair. However, since it is based on the structure of a manual wheelchair, it is also a great feature that it can be moved by hand if it cannot be moved electrically.

市販されている簡易電動車いすの多くは、手動車いすの駆動輪(ハンドトリムのついた大径の車輪)をモータが付属する電動車輪ユニットに交換するものが主流である(例えば、非特許文献1、2参照)。このような簡易電動車いすは、両輪に取り付けられた2つの電気モータを制御する際、負荷の片寄りやモータ特性の微妙な差異が車いすの直進性などの挙動に影響するために、調整や制御などに潜在的な困難さを含んでいると考えられる。また、車輪径が大きいために、電動ユニットのモータは低速・高トルクに対応するために、大型化する傾向にある。   Most of the simple electric wheelchairs on the market are those in which the driving wheels (large-diameter wheels with hand trims) of manual wheelchairs are replaced with electric wheel units to which a motor is attached (for example, Non-Patent Document 1). 2). Such a simple electric wheelchair adjusts and controls when controlling two electric motors attached to both wheels, because the deviation of the load and the slight difference in motor characteristics affect the behavior of the wheelchair. It is considered that there are potential difficulties. In addition, since the wheel diameter is large, the motor of the electric unit tends to increase in size in order to cope with low speed and high torque.

このような電動車いす又は簡易電動車いすの車輪は、通常4輪あり、前後2輪ずつの構成となっている。簡易電動車いすの駆動方式は、後輪の大車輪を電気モータで駆動する後輪駆動タイプが主流であり、基本的には手動のときと同様な旋回動作を行うことになる。このような後輪駆動タイプにあっては、後輪の駆動輪に直接モータの動力を伝達することから、大きな加速度で加速したりする場合に、車いすのフレームに前輪が浮き上がる方向に回転させる反作用が働き、操縦者の意図に反して、いわゆるウイリーの状態になったり、後方へ転倒する危険性がある。特に登坂する場合などにはその現象が起こりやすくなることから、後輪駆動タイプでは運動の加速度に厳しい制限を設ける必要があり、機敏な動作の妨げになることもあった。一方、電動車いすの駆動方式は、前輪の2輪を電気モータ
で駆動する前輪駆動タイプと、その逆の後輪駆動タイプの2種類がある。いずれの駆動方式であっても、基本的には、駆動輪は旋回せず、非駆動車輪は旋回自在ないわゆるキャスタが用いられている。そして、車いすの旋回中心は、これらの2つの駆動輪の中点が旋回中心になり、これは車いすの駆動構造に固有であり、変更することができない。
The wheel of such an electric wheelchair or a simple electric wheelchair usually has four wheels and has a configuration of two front and rear wheels. As a driving method of the simple electric wheelchair, a rear wheel drive type in which a large rear wheel is driven by an electric motor is mainly used, and basically a turning operation similar to that in manual operation is performed. In such a rear-wheel drive type, the power of the motor is directly transmitted to the drive wheels of the rear wheels, so that when accelerating at a large acceleration, the reaction of rotating the front wheels in the direction of lifting the wheel in the wheelchair frame There is a risk that it will become a so-called wheelie or fall backward, contrary to the pilot's intention. In particular, when climbing a hill, the phenomenon is likely to occur. Therefore, in the rear-wheel drive type, it is necessary to set a strict limit on the acceleration of movement, which may hinder agile operation. On the other hand, there are two types of driving methods for electric wheelchairs: a front wheel drive type in which two front wheels are driven by an electric motor, and a reverse rear wheel drive type. In any drive system, basically, a so-called caster is used in which the drive wheels do not turn and the non-drive wheels turn freely. The turning center of the wheelchair is the center of the two drive wheels, which is unique to the wheelchair drive structure and cannot be changed.

また、ひとつの車輪で任意の方向に発生した駆動力で移動できる全方向移動機構であるアクティブキャスタが提案されている(例えば、非特許文献3,4,5及び特許文献6,7)。このようなアクティブキャスタは受動的に動作するキャスタと同様な車輪配置(つまり旋回軸と車輪軸が交差しない)を有し、車輪軸と旋回軸(操舵軸)をそれぞれ独立したアクチュエータで駆動することで、移動体の駆動輪として用いることのできる車輪機構である。車輪軸と旋回軸の回転を協調制御することで、水平面内のあらゆる方向への速度ベクトルを旋回軸中心に発生させることが可能である。よって、車輪の向きによらず、様々な方向に即座に移動ができることから、一輪であっても非常に柔軟な動きが生成できるという特徴がある。しかしながら、手動車いすのように進行方向に直交する方向には移動できない車両の車輪を全て全方向移動機構に交換して全方向移動可能な車いすにする発想(例えば、特許文献8参照)はあっても、全方向移動機構を使った簡易電動車いすによって手動車いすと同じ動作をさせるという発想がなかった。   Further, active casters that are omnidirectional moving mechanisms that can move with a driving force generated in an arbitrary direction by one wheel have been proposed (for example, Non-Patent Documents 3, 4, 5 and Patent Documents 6, 7). Such an active caster has a wheel arrangement similar to that of a passively operated caster (that is, the turning axis and the wheel axis do not intersect), and the wheel axis and the turning axis (steering axis) are driven by independent actuators. Thus, it is a wheel mechanism that can be used as a driving wheel of a moving body. By cooperatively controlling the rotation of the wheel axis and the turning axis, it is possible to generate a velocity vector in the center of the turning axis in all directions within the horizontal plane. Therefore, since it can move instantly in various directions regardless of the direction of the wheels, there is a feature that a very flexible movement can be generated even with a single wheel. However, there is an idea to replace all the wheels of a vehicle that cannot move in a direction orthogonal to the traveling direction like a manual wheelchair with an omnidirectional moving mechanism to make the wheelchair movable in all directions (see, for example, Patent Document 8). However, there was no idea that a simple electric wheelchair using an omnidirectional movement mechanism would perform the same operation as a manual wheelchair.

特開平9−122184号公報JP-A-9-122184 特開2003−19165号公報JP 2003-19165 A 特開2009−284944号公報JP 2009-284944 A 特開2011−110404号公報JP 2011-110404 A 特開2009−279118号公報JP 2009-279118 A 特開平9−164968号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-164968 特開2001-199356号公報JP 2001-199356 A 特開2000−175969号公報JP 2000-175969 A

株式会社今仙技術研究所ホームページ、手動兼用型(車いす電動化ユニット)DP−45/60デイリーパル、[平成24年8月30日検索]、インターネット<URL:http://www.imasengiken.co.jp/emc/dailypal.html>Imasen Technical Research Laboratories Co., Ltd., Manual Combined Type (Wheelchair Electrification Unit) DP-45 / 60 Daily Pal, [Search August 30, 2012], Internet <URL: http: // www. imasengenken. co. jp / emc / dailypal. html> ヤマハ発動機株式会社ホームページ、車イス電動ユニットJWX−1、[平成24年8月30日検索]、インターネット<URL:http://www.yamaha−motor.jp/wheelchair/unit/jwx1/>Yamaha Motor Co., Ltd. website, wheelchair electric unit JWX-1, [searched on August 30, 2012], Internet <URL: http: // www. yamaha-motor. jp / wherehair / unit / jwx1 /> M.Wada and S.Mori,“Holonomic and Omnidirectional Vehicle with Conventional Tires,”Proceedings of the 1996 IEEE International Conference on Robotics and Automation(ICRA96),pp3671−3676,1996M.M. Wada and S.W. Mori, “Holonic and Omnidirectional Vehicle with Conventional Tires,” Proceedings of the 1996 IEEE International Conference on Robotics and Automation (IC361). M.Wada , A.Takagi and S.Mori,“Caster Drive Mechanism for Holonomic and Omnidirectional Mobile Platforms with no Over Constraint,” Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics and Automation(ICRA2000),pp1531−1538,2000M.M. Wada, A .; Takagi and S.M. Mori, “Caster Drive Mechanism for Holonic and Omnidirectional Mobile Platforms with no Over Continent,” Proceedings of the 2000. 和田正義、外2名、「球形動力伝達機構を用いたアクティブキャスタに関する研究」、No.12−2 ロボティクスシンポジア 講演論文集、一般社団法人 日本機械学会、平成24年3月13日、第181ページから第186ページMasayoshi Wada, 2 others, “Study on Active Casters Using Spherical Power Transmission Mechanism”, No. 12-2 Robotics Symposia Proceedings, The Japan Society of Mechanical Engineers, March 13, 2012, pages 181 to 186

本発明は、アクティブキャスタを用いた手動車両の電動化ユニット及び手動車両の電動化ユニットの制御方法並びに電動車いす及び電動車いすの制御方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a motorized unit for a manual vehicle using an active caster, a method for controlling the motorized unit for a manual vehicle, an electric wheelchair, and a method for controlling an electric wheelchair.

本発明に係る手動車両の電動化ユニットは、
同一回転軸心線上に配置された2つの車輪を少なくとも有する手動車両に取り付け可能な本体部と、
前記本体部に対して旋回軸心の周りに回転可能に取り付けられた脚部と、
前記旋回軸心に対して所定の離間距離を隔てて配置された駆動軸心を有し、前記脚部に対し該駆動軸心の周りに回転自在に取り付けられた駆動輪と、
前記駆動輪を前記脚部に対して回転させる第1の電気モータと、
前記脚部を前記本体部に対して回転させる第2の電気モータと、
前記手動車両の走行を操作する操作部と、
前記操作部の操作によって出力された信号に基づいて前記第1の電気モータと前記第2の電気モータとを駆動させる制御部と、
を有し、
前記制御部は、電動化ユニットを前記手動車両に取り付けた際に、前記操作部から出力された信号を前記手動車両の直進速度Vの指令値及び旋回速度Ωの指令値として入力し、下記式(1)に基づいて前記駆動輪の前記駆動軸心における第1の角速度ω及び前記脚部の前記旋回軸心における第2の角速度ωを算出し、前記第1の角速度ωを出力して前記第1の電気モータを駆動し、前記第2の角速度ωを出力して前記第2の電気モータを駆動することを特徴とする。
An electrification unit for a manual vehicle according to the present invention includes:
A body portion attachable to a manual vehicle having at least two wheels arranged on the same rotational axis;
A leg portion rotatably attached to the main body portion around a pivot axis;
A drive wheel having a drive shaft disposed at a predetermined distance from the pivot shaft, and being rotatably attached to the leg portion around the drive shaft;
A first electric motor that rotates the drive wheel relative to the leg;
A second electric motor that rotates the leg with respect to the main body;
An operation unit for operating the traveling of the manual vehicle;
A control unit that drives the first electric motor and the second electric motor based on a signal output by an operation of the operation unit;
Have
When the motorized unit is attached to the manual vehicle, the control unit inputs a signal output from the operation unit as a command value for the straight traveling speed V and a command value for the turning speed Ω of the manual vehicle. Based on (1), a first angular velocity ω w at the drive axis of the drive wheel and a second angular velocity ω s at the pivot axis of the leg are calculated, and the first angular velocity ω w is output. Then, the first electric motor is driven, and the second angular speed ω s is output to drive the second electric motor.

(ここで、rは前記駆動輪の半径、sは前記離間距離である。また、2つの前記車輪の回転軸心線をY軸、該Y軸上の2つの前記車輪間の中点を原点として該Y軸に垂直な仮想直線をX軸とした手動車両座標系を水平面内に設定したとき、φはX軸(前記手動車両の直進方向)に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度、x、yは手動車両座標系における前記旋回軸心の位置であり、xは0でない。) (Where r is the radius of the drive wheel and s is the separation distance. The rotation axis of the two wheels is the Y axis, and the midpoint between the two wheels on the Y axis is the origin. When a manual vehicle coordinate system having an imaginary straight line perpendicular to the Y axis as the X axis is set in the horizontal plane, φ is an angle formed by the traveling direction of the drive wheel with respect to the X axis (straight direction of the manual vehicle), x , Y is the position of the turning axis in the manual vehicle coordinate system, and x is not 0.)

本発明に係る手動車両の電動化ユニットによれば、手動車両に全方向移動機構を含む電動化ユニットを組込むことによって、手動車両と同じ動作を電気モータによって生成することができる。そのため、従来の手動車両の利用者であっても、違和感なく本発明に係る電動化ユニットが取り付けられた手動車両を電動で操作することができる。   According to the electrification unit of the manual vehicle according to the present invention, the same operation as that of the manual vehicle can be generated by the electric motor by incorporating the electrification unit including the omnidirectional movement mechanism into the manual vehicle. Therefore, even a user of a conventional manual vehicle can electrically operate the manual vehicle to which the electrification unit according to the present invention is attached without a sense of incongruity.

本発明に係る手動車両の電動化ユニットの制御方法は、
電気モータによって駆動輪を駆動軸心の周りに回転することで移動し、かつ、電気モー
タによって該駆動輪を旋回軸心の周りに回転することで該駆動輪の移動方向を変更する電動化ユニットを、同一回転軸心線上に配置された2つの車輪を少なくとも有する手動車両に取り付けた際に、
前記手動車両の直進速度Vの指令値及び旋回速度Ωの指令値から、下記式(1)に基づいて前記駆動軸心における第1の角速度ω及び前記旋回軸心における第2の角速度ωを算出し、
前記駆動輪を前記第1の角速度ωで前記駆動軸心の周りに回転し、
前記駆動輪を前記第2の角速度ωで前記旋回軸心の周りに回転することを特徴とする。
A method for controlling a motorized unit of a manual vehicle according to the present invention includes:
An electrification unit that moves by rotating the drive wheel around a drive axis by an electric motor and changes the direction of movement of the drive wheel by rotating the drive wheel around a turning axis by an electric motor Is attached to a manual vehicle having at least two wheels disposed on the same rotational axis.
From the command value of the straight speed V of the manual vehicle and the command value of the turning speed Ω, the first angular speed ω w in the drive axis and the second angular speed ω s in the turning axis based on the following equation (1). To calculate
Rotating said drive wheel about the drive axis in the first angular velocity omega w,
Characterized in that it rotates about the pivot axis of the drive wheel in the second angular velocity omega s.

(ここで、rは前記駆動輪の半径、sは前記旋回軸心と前記駆動軸心の離間距離である。また、2つの前記車輪の回転軸心線をY軸、該Y軸上の2つの前記車輪間の中点を原点として該Y軸に垂直な仮想直線をX軸とした手動車両座標系を水平面内に設定したとき、φはX軸(前記手動車両の直進方向)に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度、x、yは手動車両座標系における前記旋回軸心の位置であり、xは0でない。) (Where r is the radius of the drive wheel, s is the separation distance between the pivot axis and the drive axis. Also, the rotation axis of the two wheels is the Y axis, and 2 on the Y axis. When a manual vehicle coordinate system with the midpoint between the two wheels as the origin and an imaginary straight line perpendicular to the Y axis as the X axis is set in the horizontal plane, φ is the drive with respect to the X axis (straight direction of the manual vehicle) (An angle formed by the traveling direction of the wheel, x, y is the position of the turning axis in the manual vehicle coordinate system, and x is not 0.)

本発明に係る手動車両の電動化ユニットの制御方法によれば、手動車両に全方向移動機構を含む電動化ユニットを組込むことによって、手動車両と同じ動作を電気モータによって生成することができる。そのため、従来の手動車両の利用者であっても、違和感なく本発明に係る電動化ユニットが取り付けられた手動車両を電動で操作することができる。   According to the method for controlling an electrification unit of a manual vehicle according to the present invention, the same operation as that of the manual vehicle can be generated by an electric motor by incorporating the electrification unit including the omnidirectional movement mechanism into the manual vehicle. Therefore, even a user of a conventional manual vehicle can electrically operate the manual vehicle to which the electrification unit according to the present invention is attached without a sense of incongruity.

本発明に係る電動車いすは、
座部と、
前記座部を固定するフレームと、
前記座部を挟んで前記フレームに同一回転軸心線上で回転自在に取り付けられた2つの手動用の車輪と、
前記フレームに取り付けられた本体部と、
前記本体部に対して旋回軸心の周りに回転可能な脚部と、
前記旋回軸心に対して所定の離間距離を隔てて配置された駆動軸心を有し、前記脚部に対し該駆動軸心の周りに回転自在に配置された駆動輪と、
前記駆動輪を前記脚部に対して回転させる第1の電気モータと、
前記脚部を前記本体部に対して回転させる第2の電気モータと、
走行を操作する操作部と、
前記操作部の操作によって出力された信号に基づいて前記第1の電気モータと前記第2の電気モータとを駆動させる制御部と、
を有する電動車いすであって、
前記制御部は、前記操作部から出力された信号を前記電動車いすの直進速度Vの指令値及び旋回速度Ωの指令値として入力し、下記式(1)に基づいて前記駆動輪の前記駆動軸心における第1の角速度ω及び前記脚部の前記旋回軸心における第2の角速度ωを算出し、前記第1の角速度ωを出力して前記第1の電気モータを駆動して前記駆動輪を回転し、前記第2の角速度ωを出力して前記第2の電気モータを駆動して前記電動車いすの進行方向を変更することを特徴とする。
The electric wheelchair according to the present invention is
A seat,
A frame for fixing the seat;
Two manual wheels mounted on the frame so as to be rotatable on the same axis of rotation with the seat interposed therebetween;
A main body attached to the frame;
A leg that is rotatable about a pivot axis relative to the body;
A drive wheel having a drive shaft disposed at a predetermined separation distance with respect to the pivot shaft, and disposed so as to be rotatable around the drive shaft with respect to the leg portion;
A first electric motor that rotates the drive wheel relative to the leg;
A second electric motor that rotates the leg with respect to the main body;
An operation unit for operating the vehicle;
A control unit that drives the first electric motor and the second electric motor based on a signal output by an operation of the operation unit;
An electric wheelchair having
The control unit inputs the signal output from the operation unit as a command value for the straight traveling speed V and a command value for the turning speed Ω of the electric wheelchair, and based on the following formula (1), the drive shaft of the drive wheel The first angular velocity ω w at the center and the second angular velocity ω s at the pivot axis of the leg are calculated, the first angular velocity ω w is output to drive the first electric motor, and The driving wheel is rotated, the second angular velocity ω s is output to drive the second electric motor, and the traveling direction of the electric wheelchair is changed.

(ここで、rは前記駆動輪の半径、sは前記離間距離である。また、2つの前記手動用の車輪の回転軸心線をY軸、該Y軸上の2つの前記手動用の車輪間の中点を原点として該Y軸に垂直な仮想直線をX軸とした車いす座標系を水平面内に設定したとき、φはX軸(前記車いすの直進方向)に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度、x、yは車いす座標系における前記旋回軸心の位置であり、xは0でない。) (Where r is the radius of the drive wheel and s is the separation distance. Also, the rotation axis of the two manual wheels is the Y axis, and the two manual wheels on the Y axis are When the wheelchair coordinate system is set in the horizontal plane with the midpoint between them as the origin and the imaginary straight line perpendicular to the Y-axis as the X-axis, φ is the direction of travel of the drive wheel with respect to the X-axis (The angle formed, x, y is the position of the pivot axis in the wheelchair coordinate system, and x is not 0.)

本発明に係る電動車いすによれば、全方向移動機構を含むことによって、手動車いすと同じ動作を電気モータによって生成することができる。そのため、従来の手動車いすの利用者であっても、違和感なく本発明に係る電動車いすを電動で操作することができる。また、手動用の車輪の回転軸線上に駆動輪の旋回軸心がない(式(1)において、xは0でない。)ため、特に加速時における電動車いすの優れた姿勢安定性を得ることができる。   According to the electric wheelchair according to the present invention, by including the omnidirectional movement mechanism, the same operation as that of the manual wheelchair can be generated by the electric motor. Therefore, even a user of a conventional manual wheelchair can electrically operate the electric wheelchair according to the present invention without a sense of incongruity. In addition, since there is no turning axis of the drive wheel on the rotation axis of the manual wheel (in formula (1), x is not 0), it is possible to obtain excellent posture stability of the electric wheelchair particularly during acceleration. it can.

本発明に係る電動車いすにおいて、
前記フレームに支持される2つの従動輪と、
前記従動輪の旋回動作を拘束する拘束機構と、
前記フレームを前記本体部に対して相対的に移動させ、前記手動用の車輪を接地状態と非接地状態とに変更するアクチュエータと、
をさらに有し、
前記従動輪を前記電動車いすの直進方向に向け、かつ、2つの前記従動輪を同一回転軸心線上に位置した状態で、前記拘束機構を駆動して前記従動輪の旋回動作を拘束し、
前記アクチュエータを駆動して前記手動用の車輪を非接地状態として前記電動車いすの旋回中心を前記手動用の車輪間の中点から前記従動輪間の中点に変更すると共に、前記制御部は、前記操作部から出力された信号を前記従動輪間の中点における前記電動車いすの直進速度Vの指令値及び旋回速度Ωの指令値として入力し、前記式(1)を下記式(5)に切り替え、下記式(5)に基づいて前記電動車いすの進行方向を変更することができる。
In the electric wheelchair according to the present invention,
Two driven wheels supported by the frame;
A restraining mechanism for restraining the turning motion of the driven wheel;
An actuator for moving the frame relative to the main body and changing the manual wheel between a grounded state and a non-grounded state;
Further comprising
Directing the driven wheel in the straight direction of the electric wheelchair, and in a state where the two driven wheels are positioned on the same rotational axis, the restraint mechanism is driven to restrain the turning operation of the driven wheel,
The actuator is driven to change the turning center of the electric wheelchair from the midpoint between the manual wheels to the midpoint between the driven wheels by setting the manual wheel to an ungrounded state, and the control unit includes: The signal output from the operation unit is input as a command value for the straight traveling speed V 2 and a command value for the turning speed Ω 2 of the electric wheelchair at the midpoint between the driven wheels, and the formula (1) is expressed by the following formula (5 ) And the traveling direction of the electric wheelchair can be changed based on the following formula (5).

(ここで、rは前記駆動輪の半径、sは前記離間距離である。また、2つの前記従動輪の回転軸心線をY軸、該Y軸上の2つの前記従動輪間の中点を原点として該Y軸に垂直な仮想直線をX軸とした第2の車いす座標系を水平面内に設定したとき、φはX軸(前記車いすの直進方向)に対する前記従動輪の進行方向のなす角度、x、yは車いす座標系における前記旋回軸心の位置であり、xは0でない。) (Where r is the radius of the driving wheel and s is the separation distance. Also, the rotation axis of the two driven wheels is the Y 2 axis, and the two driven wheels on the Y 2 axis are when the second wheelchair coordinate system perpendicular imaginary straight line to the Y 2 -axis and the X 2 axis midpoint as the origin is set to the horizontal plane, the phi 2 the slave with respect to the X 2 axis (straight direction of the wheelchair) (An angle formed by the moving direction of the driving wheel, x 2 , y 2 is the position of the pivot axis in the wheelchair coordinate system, and x 2 is not 0.)

本発明に係る電動車いすの制御方法は、
電気モータによって駆動輪を駆動軸心の周りに回転することで移動し、かつ、電気モータによって該駆動輪を旋回軸心の周りに回転することで該駆動輪の移動方向を変更する、同一回転軸心線上に2つの手動用の車輪を有する電動車いすの制御方法であって、
前記電動車いすの直進速度Vの指令値及び旋回速度Ωの指令値から、下記式(1)に基づいて前記駆動軸心における第1の角速度ω及び前記旋回軸心における第2の角速度ωを算出し、
前記駆動輪を前記第1の角速度ωで前記駆動軸心の周りに回転し、
前記駆動輪を前記第2の角速度ωで前記旋回軸心の周りに回転することを特徴とする。
An electric wheelchair control method according to the present invention includes:
Rotating the drive wheel around the drive axis by the electric motor and moving the drive wheel around the turning axis by the electric motor to change the moving direction of the drive wheel A method for controlling an electric wheelchair having two manual wheels on an axis,
From the command value of the straight speed V of the electric wheelchair and the command value of the turning speed Ω, the first angular velocity ω w in the drive shaft center and the second angular speed ω s in the turning shaft center based on the following equation (1). To calculate
Rotating said drive wheel about the drive axis in the first angular velocity omega w,
Characterized in that it rotates about the pivot axis of the drive wheel in the second angular velocity omega s.

(ここで、rは前記駆動輪の半径、sは前記旋回軸心と前記駆動軸心の離間距離である。また、2つの前記手動用の車輪の回転軸心線をY軸、該Y軸上の2つの前記手動用の車輪間の中点を原点として該Y軸に垂直な仮想直線をX軸とした車いす座標系を水平面内に設定したとき、φはX軸(前記車いすの直進方向)に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度、x、yは車いす座標系における前記旋回軸心の位置であり、xは0でない。) (Where r is the radius of the drive wheel, s is the distance between the pivot axis and the drive axis, and the Y axis is the rotational axis of the two manual wheels. When a wheelchair coordinate system is set in the horizontal plane with the midpoint between the above two manual wheels as the origin and an imaginary straight line perpendicular to the Y axis as the X axis, φ is the X axis (the straight direction of the wheelchair ), X and y are the positions of the pivot axis in the wheelchair coordinate system, and x is not 0.)

本発明に係る電動車いすの制御方法によれば、全方向移動機構を含むことによって、手動車いすと同じ動作を電気モータによって生成することができる。そのため、従来の手動車いすの利用者であっても、違和感なく本発明に係る電動車いすを電動で操作することができる。また、手動用の車輪の回転軸線上に駆動輪の旋回軸心がない(式(1)において、xは0でない。)ため、特に加速時における電動車いすの優れた姿勢安定性を得ることができる。   According to the method for controlling an electric wheelchair according to the present invention, by including an omnidirectional movement mechanism, the same operation as that of a manual wheelchair can be generated by an electric motor. Therefore, even a user of a conventional manual wheelchair can electrically operate the electric wheelchair according to the present invention without a sense of incongruity. In addition, since there is no turning axis of the drive wheel on the rotation axis of the manual wheel (in formula (1), x is not 0), it is possible to obtain excellent posture stability of the electric wheelchair particularly during acceleration. it can.

本発明に係る電動車いすの制御方法において、
前記電動車いすは、2つの従動輪と、前記従動輪の旋回動作を拘束する拘束機構と、前記手動用の車輪を接地状態と非接地状態とに変更するアクチュエータと、をさらに有し、
前記従動輪を前記電動車いすの直進方向に向け、かつ、2つの前記従動輪を同一回転軸心線上に位置した状態で、前記拘束機構を駆動して前記従動輪の旋回動作を拘束し、
前記アクチュエータを駆動して前記手動用の車輪を非接地状態として前記電動車いすの旋回中心を前記手動用の車輪間の中点から前記従動輪間の中点に変更すると共に、前記従動輪間の中点における前記電動車いすの直進速度Vの指令値及び旋回速度Ωの指令値から、下記式(5)に基づいて前記電動車いすの進行方向を変更することができる。
In the control method of the electric wheelchair according to the present invention,
The electric wheelchair further includes two driven wheels, a restraining mechanism that restrains the turning motion of the driven wheel, and an actuator that changes the manual wheel between a grounded state and a non-grounded state,
Directing the driven wheel in the straight direction of the electric wheelchair, and in a state where the two driven wheels are positioned on the same rotational axis, the restraint mechanism is driven to restrain the turning operation of the driven wheel,
The actuator is driven to change the turning center of the electric wheelchair from the midpoint between the manual wheels to the midpoint between the driven wheels while the manual wheels are ungrounded, and between the driven wheels. from the command value and the command value of the swing speed Omega 2 of the linear velocity V 2 of the electric wheelchair at the mid-point, it is possible to change a traveling direction of the electric wheelchair in accordance with the following equation (5).

(ここで、rは前記駆動輪の半径、sは前記離間距離である。また、2つの前記従動輪の回転軸心線をY軸、該Y軸上の2つの前記従動輪間の中点を原点として該Y軸に垂
直な仮想直線をX軸とした第2の車いす座標系を水平面内に設定したとき、φはX軸(前記車いすの直進方向)に対する前記従動輪の進行方向のなす角度、x、yは車いす座標系における前記旋回軸心の位置であり、xは0でない。)
(Where r is the radius of the driving wheel and s is the separation distance. Also, the rotation axis of the two driven wheels is the Y 2 axis, and the two driven wheels on the Y 2 axis are when the second wheelchair coordinate system perpendicular imaginary straight line to the Y 2 -axis and the X 2 axis midpoint as the origin is set to the horizontal plane, the phi 2 the slave with respect to the X 2 axis (straight direction of the wheelchair) (An angle formed by the moving direction of the driving wheel, x 2 , y 2 is the position of the pivot axis in the wheelchair coordinate system, and x 2 is not 0.)

電動化ユニットに用いる全方向移動機構を模式的に示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows typically the omnidirectional movement mechanism used for an electrification unit. 電動化ユニットに用いる全方向移動機構を模式的に示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows typically the omnidirectional movement mechanism used for an electrification unit. 第1の実施形態に係る電動車いすの側面図である。It is a side view of the electric wheelchair which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る電動車いすを模式的に示す概略平面図である。1 is a schematic plan view schematically showing an electric wheelchair according to a first embodiment. 電動化ユニットを説明するためのブロック図である。It is a block diagram for demonstrating an electrification unit. 第2の実施形態に係る電動車いすの全方向移動機構の一部を模式的に示す横断面図である。It is a cross-sectional view which shows typically a part of omnidirectional movement mechanism of the electric wheelchair which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る電動車いすを模式的に示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows typically the electric wheelchair which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係る電動車いすを模式的に示す概略側面図である。It is a schematic side view which shows typically the electric wheelchair which concerns on 3rd Embodiment. 第4の実施形態に係る電動車いすを模式的に示す概略側面図である。It is a schematic side view which shows typically the electric wheelchair which concerns on 4th Embodiment. 実施例1に係る電動車いすの写真である。It is a photograph of the electric wheelchair which concerns on Example 1. FIG. 実施例1に係る電動車いすの直進動作試験測定結果である。It is a straight-ahead operation test measurement result of the electric wheelchair which concerns on Example 1. FIG. 実施例1に係る電動車いすの旋回動作試験測定結果である。It is a turning operation test measurement result of the electric wheelchair which concerns on Example 1. FIG. 従来の車いすを模式的に示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows the conventional wheelchair typically. 第5の実施形態に係る電動車いすを模式的に示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows typically the electric wheelchair which concerns on 5th Embodiment. 第5の実施形態に係る電動車いすを模式的に示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows typically the electric wheelchair which concerns on 5th Embodiment. 第5の実施形態に係る電動車いすを模式的に示す概略側面図である。It is a schematic side view which shows typically the electric wheelchair which concerns on 5th Embodiment. 第5の実施形態に係る電動車いすの電動化ユニットに用いる全方向移動機構を模式的に示す背面図である。It is a rear view which shows typically the omnidirectional movement mechanism used for the electrification unit of the electric wheelchair which concerns on 5th Embodiment. 第5の実施形態に係る電動車いすの旋回動作シミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the turning operation | movement simulation result of the electric wheelchair which concerns on 5th Embodiment. 第5の実施形態に係る電動車いすの旋回動作シミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the turning operation | movement simulation result of the electric wheelchair which concerns on 5th Embodiment.

以下、本発明の一実施形態にかかる電動車いす及び電動車いすの制御方法並びに手動車両の電動化ユニット及び手動車両の電動化ユニットの制御方法について図面を用いて説明する。なお、以下に説明するものは本発明にかかる電動車いす及び電動車いすの制御方法並びに手動車両の電動化ユニット及び手動車両の電動化ユニットの制御方法の実施形態の一例であり、本発明はこれに限定されるものではなく、当業者であれば特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇で各種の変更が可能である。なお、本願において、水平とは車両が移動する床面に平行な面内にある方向であり、鉛直とはその床面に対して垂直な方向である。   Hereinafter, a method for controlling an electric wheelchair and an electric wheelchair according to an embodiment of the present invention, a method for controlling a motorized unit for a manual vehicle, and a method for controlling a motorized unit for a manual vehicle will be described with reference to the drawings. In addition, what is described below is an example of an embodiment of an electric wheelchair and an electric wheelchair control method, an electric unit for a manual vehicle, and a control method for an electric unit for a manual vehicle according to the present invention. It is not limited, and those skilled in the art can make various modifications within the scope of the technical idea described in the claims. In the present application, horizontal is a direction in a plane parallel to the floor surface on which the vehicle moves, and vertical is a direction perpendicular to the floor surface.

本発明の一実施の形態に係る手動車両の電動化ユニットは、同一回転軸心線上に配置された2つの車輪を少なくとも有する手動車両に取り付け可能な本体部と、前記本体部に対して旋回軸心の周りに回転可能に取り付けられた脚部と、前記旋回軸心に対して所定の離間距離を隔てて配置された駆動軸心を有し、前記脚部に対し該駆動軸心の周りに回転自在に取り付けられた駆動輪と、前記駆動輪を前記脚部に対して回転させる第1の電気モータと、前記脚部を前記本体部に対して回転させる第2の電気モータと、前記手動車両の走行を操作する操作部と、前記操作部の操作によって出力された信号に基づいて前記第1の電気モータと前記第2の電気モータとを駆動させる制御部と、を有し、前記制御部は、電動化ユニットを前記手動車両に取り付けた際に、前記操作部から出力された信号を前記手動車両の直進速度Vの指令値及び旋回速度Ωの指令値として入力し、下記式(1)に基づいて前記駆動輪の前記駆動軸心における第1の角速度ω及び前記脚部の前記旋回軸心にお
ける第2の角速度ωを算出し、前記第1の角速度ωを出力して前記第1の電気モータを駆動し、前記第2の角速度ωを出力して前記第2の電気モータを駆動することを特徴とする。
An electrification unit for a manual vehicle according to an embodiment of the present invention includes a main body that can be attached to a manual vehicle having at least two wheels disposed on the same rotational axis, and a pivot axis with respect to the main body. A leg portion rotatably attached around the center; and a drive axis centered at a predetermined distance from the pivot axis, the leg portion being around the drive axis A drive wheel that is rotatably mounted, a first electric motor that rotates the drive wheel relative to the leg, a second electric motor that rotates the leg relative to the main body, and the manual An operation unit that operates the vehicle, and a control unit that drives the first electric motor and the second electric motor based on a signal output by the operation of the operation unit, and the control The unit attaches the motorized unit to the manual vehicle. The signal output from the operation unit is input as a command value for the straight traveling speed V and a command value for the turning speed Ω of the manual vehicle, and the drive shaft of the drive wheel based on the following equation (1) calculating a second angular velocity omega s of the first angular velocity omega w and the pivot axis of the legs in the heart, and outputs the first angular velocity omega w driving the first electric motor, the A second angular velocity ω s is output to drive the second electric motor.

(ここで、rは前記駆動輪の半径、sは前記離間距離である。また、2つの前記車輪の回転軸心線をY軸、該Y軸上の2つの前記車輪間の中点を原点として該Y軸に垂直な仮想直線をX軸とした手動車両座標系を水平面内に設定したとき、φはX軸(前記手動車両の直進方向)に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度、x、yは手動車両座標系における前記旋回軸心の位置であり、xは0でない。) (Where r is the radius of the drive wheel and s is the separation distance. The rotation axis of the two wheels is the Y axis, and the midpoint between the two wheels on the Y axis is the origin. When a manual vehicle coordinate system having an imaginary straight line perpendicular to the Y axis as the X axis is set in the horizontal plane, φ is an angle formed by the traveling direction of the drive wheel with respect to the X axis (straight direction of the manual vehicle), x , Y is the position of the turning axis in the manual vehicle coordinate system, and x is not 0.)

本発明の一実施の形態に係る手動車両の電動化ユニットの制御方法は、電気モータによって駆動輪を駆動軸心の周りに回転することで移動し、かつ、電気モータによって該駆動輪を旋回軸心の周りに回転することで該駆動輪の移動方向を変更する電動化ユニットを、同一回転軸心線上に配置された2つの車輪を少なくとも有する手動車両に取り付けた際に、前記手動車両の直進速度Vの指令値及び旋回速度Ωの指令値から、下記式(1)に基づいて前記駆動軸心における第1の角速度ω及び前記旋回軸心における第2の角速度ωを算出し、前記駆動輪を前記第1の角速度ωで前記駆動軸心の周りに回転し、前記駆動輪を前記第2の角速度ωで前記旋回軸心の周りに回転することを特徴とする。 A method for controlling a motorized unit of a manual vehicle according to an embodiment of the present invention is such that a drive wheel is moved by rotating around a drive axis by an electric motor, and the drive wheel is rotated by an electric motor. When the motorized unit that changes the moving direction of the driving wheel by rotating around the center is attached to a manual vehicle having at least two wheels arranged on the same rotational axis, the straight line of the manual vehicle Based on the command value of the speed V and the command value of the turning speed Ω, a first angular speed ω w in the drive axis and a second angular speed ω s in the turning axis are calculated based on the following equation (1): the drive wheel rotates around the drive axis in the first angular velocity omega w, characterized by rotating the drive wheel about the pivot axis in the second angular velocity omega s.

(ここで、rは前記駆動輪の半径、sは前記旋回軸心と前記駆動軸心の離間距離である。また、2つの前記車輪の回転軸心線をY軸、該Y軸上の2つの前記車輪間の中点を原点として該Y軸に垂直な仮想直線をX軸とした手動車両座標系を水平面内に設定したとき、φはX軸(前記手動車両の直進方向)に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度、x、yは手動車両座標系における前記旋回軸心の位置であり、xは0でない。) (Where r is the radius of the drive wheel, s is the separation distance between the pivot axis and the drive axis. Also, the rotation axis of the two wheels is the Y axis, and 2 on the Y axis. When a manual vehicle coordinate system with the midpoint between the two wheels as the origin and an imaginary straight line perpendicular to the Y axis as the X axis is set in the horizontal plane, φ is the drive with respect to the X axis (straight direction of the manual vehicle) (An angle formed by the traveling direction of the wheel, x, y is the position of the turning axis in the manual vehicle coordinate system, and x is not 0.)

本発明の一実施の形態に係る電動車いすは、座部と、前記座部を固定するフレームと、前記座部を挟んで前記フレームに同一回転軸心線上で回転自在に取り付けられた2つの手動用の車輪と、前記フレームに取り付けられた本体部と、前記本体部に対して旋回軸心の周りに回転可能な脚部と、前記旋回軸心に対して所定の離間距離を隔てて配置された駆動軸心を有し、前記脚部に対し該駆動軸心の周りに回転自在に配置された駆動輪と、前記駆動輪を前記脚部に対して回転させる第1の電気モータと、走行を操作する操作部と、前記脚部を前記本体部に対して回転させる第2の電気モータと、前記操作部の操作によって出力された信号に基づいて前記第1の電気モータと前記第2の電気モータとを駆動させる制御部と、を有する電動車いすであって、前記制御部は、前記操作部から出力された信号を
前記電動車いすの直進速度Vの指令値及び旋回速度Ωの指令値として入力し、下記式(1)に基づいて前記駆動輪の前記駆動軸心における第1の角速度ω及び前記脚部の前記旋回軸心における第2の角速度ωを算出し、前記第1の角速度ωを出力して前記第1の電気モータを駆動して前記駆動輪を回転し、前記第2の角速度ωを出力して前記第2の電気モータを駆動して前記電動車いすの進行方向を変更することを特徴とする。
An electric wheelchair according to an embodiment of the present invention includes a seat portion, a frame for fixing the seat portion, and two manual attachments that are rotatably attached to the frame on the same rotational axis with the seat portion interposed therebetween. Wheels, a main body portion attached to the frame, a leg portion rotatable around a pivot axis with respect to the main body portion, and a predetermined separation distance with respect to the pivot axis. A drive wheel that has a drive shaft center and is arranged to be rotatable around the drive shaft with respect to the leg, a first electric motor that rotates the drive wheel with respect to the leg, and travel A second electric motor for rotating the leg relative to the main body, and the first electric motor and the second electric motor based on a signal output by operating the operation unit. An electric wheelchair having a controller for driving the electric motor; Thus, the control unit inputs the signal output from the operation unit as a command value for the straight traveling speed V and a command value for the turning speed Ω of the electric wheelchair, and based on the following formula (1), A first angular velocity ω w at the driving axis and a second angular velocity ω s at the pivot axis of the leg are calculated, and the first angular motor ω w is output to drive the first electric motor. Then, the driving wheel is rotated, the second angular velocity ω s is output to drive the second electric motor, and the traveling direction of the electric wheelchair is changed.

(ここで、rは前記駆動輪の半径、sは前記離間距離である。また、2つの前記手動用の車輪の回転軸心線をY軸、該Y軸上の2つの前記手動用の車輪間の中点を原点として該Y軸に垂直な仮想直線をX軸とした車いす座標系を水平面内に設定したとき、φはX軸(前記車いすの直進方向)に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度、x、yは車いす座標系における前記旋回軸心の位置であり、xは0でない。) (Where r is the radius of the drive wheel and s is the separation distance. Also, the rotation axis of the two manual wheels is the Y axis, and the two manual wheels on the Y axis are When the wheelchair coordinate system is set in the horizontal plane with the midpoint between them as the origin and the imaginary straight line perpendicular to the Y-axis as the X-axis, φ is the direction of travel of the drive wheel with respect to the X-axis (The angle formed, x, y is the position of the pivot axis in the wheelchair coordinate system, and x is not 0.)

本発明の一実施の形態に係る電動車いすにおいて、前記フレームに支持される2つの従動輪と、前記従動輪の旋回動作を拘束する拘束機構と、前記フレームを前記本体部に対して相対的に移動させ、前記手動用の車輪を接地状態と非接地状態とに変更するアクチュエータと、をさらに有し、前記従動輪を前記電動車いすの直進方向に向け、かつ、2つの前記従動輪を同一回転軸心線上に位置した状態で、前記拘束機構を駆動して前記従動輪の旋回動作を拘束し、前記アクチュエータを駆動して前記手動用の車輪を非接地状態として前記電動車いすの旋回中心を前記手動用の車輪間の中点から前記従動輪間の中点に変更すると共に、前記制御部は、前記操作部から出力された信号を前記従動輪間の中点における前記電動車いすの直進速度Vの指令値及び旋回速度Ωの指令値として入力し、前記式(1)を下記式(5)に切り替え、下記式(5)に基づいて前記電動車いすの進行方向を変更することができる。 In the electric wheelchair according to the embodiment of the present invention, two driven wheels supported by the frame, a restraining mechanism for restraining a turning operation of the driven wheel, and the frame relative to the main body portion. An actuator for moving the manual wheel between a grounded state and a non-grounded state, directing the driven wheel in a straight direction of the electric wheelchair, and rotating the two driven wheels in the same direction In a state of being positioned on the axis, the restraint mechanism is driven to restrain the turning operation of the driven wheel, the actuator is driven to bring the manual wheel to an ungrounded state, and the turning center of the electric wheelchair is While changing from the midpoint between the manual wheels to the midpoint between the driven wheels, the control unit converts the signal output from the operation unit to the straight traveling speed V of the electric wheelchair at the midpoint between the driven wheels. 2 The command value and the command value of the turning speed Ω 2 are input, the formula (1) is switched to the following formula (5), and the traveling direction of the electric wheelchair can be changed based on the following formula (5).

(ここで、rは前記駆動輪の半径、sは前記離間距離である。また、2つの前記従動輪の回転軸心線をY軸、該Y軸上の2つの前記従動輪間の中点を原点として該Y軸に垂直な仮想直線をX軸とした第2の車いす座標系を水平面内に設定したとき、φはX軸(前記車いすの直進方向)に対する前記従動輪の進行方向のなす角度、x、yは車いす座標系における前記旋回軸心の位置であり、xは0でない。) (Where r is the radius of the driving wheel and s is the separation distance. Also, the rotation axis of the two driven wheels is the Y 2 axis, and the two driven wheels on the Y 2 axis are when the second wheelchair coordinate system perpendicular imaginary straight line to the Y 2 -axis and the X 2 axis midpoint as the origin is set to the horizontal plane, the phi 2 the slave with respect to the X 2 axis (straight direction of the wheelchair) (An angle formed by the moving direction of the driving wheel, x 2 , y 2 is the position of the pivot axis in the wheelchair coordinate system, and x 2 is not 0.)

本発明の一実施の形態に係る電動車いすの制御方法は、電気モータによって駆動輪を駆動軸心の周りに回転することで移動し、かつ、電気モータによって該駆動輪を旋回軸心の周りに回転することで該駆動輪の移動方向を変更する、同一回転軸心線上に2つの手動用の車輪を有する電動車いすの制御方法であって、前記電動車いすの直進速度Vの指令値及び旋回速度Ωの指令値から、下記式(1)に基づいて前記駆動軸心における第1の角速度
ω及び前記旋回軸心における第2の角速度ωを算出し、前記駆動輪を前記第1の角速度ωで前記駆動軸心の周りに回転し、前記駆動輪を前記第2の角速度ωで前記旋回軸心の周りに回転することを特徴とする。
A method for controlling an electric wheelchair according to an embodiment of the present invention is such that an electric motor moves a drive wheel around a drive axis, and the electric motor moves the drive wheel around a turning axis. A method for controlling an electric wheelchair having two manual wheels on the same rotational axis, wherein the moving direction of the drive wheel is changed by rotating, wherein the command value and the turning speed of the straight speed V of the electric wheelchair From the command value of Ω, a first angular velocity ω w at the drive shaft center and a second angular velocity ω s at the pivot axis are calculated based on the following equation (1), and the drive wheel is moved to the first angular velocity. omega rotates about the drive axis at w, is characterized by rotating the drive wheel about the pivot axis in the second angular velocity omega s.

(ここで、rは前記駆動輪の半径、sは前記旋回軸心と前記駆動軸心の離間距離である。また、2つの前記車輪の回転軸心線をY軸、該Y軸上の2つの前記車輪間の中点を原点として該Y軸に垂直な仮想直線をX軸とした車いす座標系を水平面内に設定したとき、φはX軸(前記車いすの直進方向)に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度、x、yは車いす座標系における前記旋回軸心の位置であり、xは0でない。) (Where r is the radius of the drive wheel, s is the separation distance between the pivot axis and the drive axis. Also, the rotation axis of the two wheels is the Y axis, and 2 on the Y axis. When a wheelchair coordinate system with the midpoint between the two wheels as the origin and an imaginary straight line perpendicular to the Y-axis as the X-axis is set in the horizontal plane, φ represents the driving wheel relative to the X-axis (straight direction of the wheelchair). (An angle formed by the traveling direction, x and y are positions of the pivot axis in the wheelchair coordinate system, and x is not 0)

本発明の一実施の形態に係る電動車いすの制御方法において、前記電動車いすは、2つの従動輪と、前記従動輪の旋回動作を拘束する拘束機構と、前記手動用の車輪を接地状態と非接地状態とに変更するアクチュエータと、をさらに有し、前記従動輪を前記電動車いすの直進方向に向け、かつ、2つの前記従動輪を同一回転軸心線上に位置した状態で、前記拘束機構を駆動して前記従動輪の旋回動作を拘束し、前記アクチュエータを駆動して前記手動用の車輪を非接地状態として前記電動車いすの旋回中心を前記手動用の車輪間の中点から前記従動輪間の中点に変更すると共に、前記従動輪間の中点における前記電動車いすの直進速度Vの指令値及び旋回速度Ωの指令値から、下記式(5)に基づいて前記電動車いすの進行方向を変更することができる。 In the method for controlling an electric wheelchair according to an embodiment of the present invention, the electric wheelchair includes two driven wheels, a restraining mechanism for restricting a turning operation of the driven wheel, and the manual wheel in a grounded state. An actuator for changing to a grounded state, with the driven wheel directed in a straight line direction of the electric wheelchair, and the two driven wheels positioned on the same rotational axis. Drive to restrain the turning movement of the driven wheel, drive the actuator to bring the manual wheel to an ungrounded state, and turn the turning center of the electric wheelchair from the midpoint between the manual wheels to the driven wheel From the command value of the straight speed V 2 and the command value of the turning speed Ω 2 of the electric wheelchair at the mid point between the driven wheels, the progress of the electric wheelchair is based on the following equation (5). Change direction Can.

(ここで、rは前記駆動輪の半径、sは前記離間距離である。また、2つの前記従動輪の回転軸心線をY軸、該Y軸上の2つの前記従動輪間の中点を原点として該Y軸に垂直な仮想直線をX軸とした第2の車いす座標系を水平面内に設定したとき、φはX軸(前記車いすの直進方向)に対する前記従動輪の進行方向のなす角度、x、yは車いす座標系における前記旋回軸心の位置であり、xは0でない。) (Where r is the radius of the driving wheel and s is the separation distance. Also, the rotation axis of the two driven wheels is the Y 2 axis, and the two driven wheels on the Y 2 axis are when the second wheelchair coordinate system perpendicular imaginary straight line to the Y 2 -axis and the X 2 axis midpoint as the origin is set to the horizontal plane, the phi 2 the slave with respect to the X 2 axis (straight direction of the wheelchair) (An angle formed by the moving direction of the driving wheel, x 2 , y 2 is the position of the pivot axis in the wheelchair coordinate system, and x 2 is not 0.)

1.全方向移動機構
まず、本発明に用いることができる全方向移動機構(アクティブキャスタとも呼ばれる)の概要について説明する。なお、全方向移動機構は公知の構造を採用することができ、ここで説明する全方向移動機構はその一例に過ぎない。図1は、電動化ユニットに用いる全方向移動機構を模式的に示す縦断面図である。図2は、電動化ユニットに用いる全方向移動機構を模式的に示す縦断面図である。ここで、図1は全方向移動機構の駆動輪21を正面(進行方向)からみた縦断面図であり、図2は全方向移動機構の駆動輪21を側面からみた縦断面図である。
1. First, an outline of an omnidirectional moving mechanism (also called an active caster) that can be used in the present invention will be described. The omnidirectional movement mechanism can adopt a known structure, and the omnidirectional movement mechanism described here is merely an example. FIG. 1 is a longitudinal sectional view schematically showing an omnidirectional moving mechanism used in an electric unit. FIG. 2 is a longitudinal sectional view schematically showing an omnidirectional moving mechanism used in the motorized unit. Here, FIG. 1 is a longitudinal sectional view of the driving wheel 21 of the omnidirectional moving mechanism as viewed from the front (traveling direction), and FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the driving wheel 21 of the omnidirectional moving mechanism as viewed from the side.

本発明で用いることができる全方向移動機構(アクティブキャスタ)は、受動的に動作するキャスタ(事務用いすに用いられるようなキャスタ)と同様な車輪配置であり、すなわち、旋回軸と車輪軸が交差しない車輪配置を有することができる。このような全方向移動機構は、例えば、キャスタの車輪軸と旋回軸(操舵軸)をそれぞれ独立したアクチュエータで駆動することで、移動体の駆動輪として用いることのできる車輪機構である。全方向移動機構は、車輪軸と操舵軸の回転を協調制御することで、水平面内のあらゆる方向への速度ベクトルを操舵軸中心に発生させることが可能である。よって、車輪の向きによらず、様々な方向に即座に移動ができることから、一輪であっても非常に柔軟な動きが生成できるという特徴がある。本発明は、この特徴を生かして、駆動輪21の一輪による電動化ユニット2を実現することができる。   The omnidirectional movement mechanism (active caster) that can be used in the present invention has a wheel arrangement similar to a passively operated caster (a caster used for office use), that is, the swivel axis and the wheel axis are It can have a wheel arrangement that does not intersect. Such an omnidirectional moving mechanism is, for example, a wheel mechanism that can be used as a driving wheel of a moving body by driving a wheel shaft of a caster and a turning shaft (steering shaft) by independent actuators. The omnidirectional movement mechanism can generate velocity vectors in all directions in the horizontal plane at the center of the steering axis by cooperatively controlling the rotation of the wheel axis and the steering axis. Therefore, since it can move instantly in various directions regardless of the direction of the wheels, there is a feature that a very flexible movement can be generated even with a single wheel. The present invention can realize the electrification unit 2 by one wheel of the drive wheel 21 by utilizing this feature.

駆動輪21は、操舵輪をかねており、駆動輪21を支持固定する車軸22により、操舵軸である駆動軸心Qの周りに脚部23に対し回転自在に支持されている。なお、駆動輪21には、空気圧式タイヤを装着することができる。車軸22は減速機24を介して、電気モータである第1の電気モータ25に接続されている。第1の電気モータ25の他端にはエンコーダ26が接続されて駆動輪21の回転角度が検出される。第1の電気モータ25を駆動することによって、駆動輪21は駆動軸心Qの周りに回転し、駆動輪21の転がり方向(図1であれば図の正面方向または背面方向、図2であれば図の左右方向)に本体部27を移動することができる。   The drive wheel 21 also functions as a steering wheel, and is rotatably supported with respect to the leg portion 23 around a drive axis Q that is a steering shaft by an axle 22 that supports and fixes the drive wheel 21. Note that a pneumatic tire can be attached to the drive wheel 21. The axle 22 is connected to a first electric motor 25 that is an electric motor via a speed reducer 24. An encoder 26 is connected to the other end of the first electric motor 25 to detect the rotation angle of the drive wheel 21. By driving the first electric motor 25, the driving wheel 21 rotates around the driving axis Q, and the rolling direction of the driving wheel 21 (in FIG. 1, the front direction or the back direction in FIG. The main body 27 can be moved in the left-right direction in FIG.

また、脚部23は、その上端が、本体部27に軸受け28を介して鉛直方向に延びる旋回軸心Rの周りに回動自在にして支持されている。ここで軸受け28の中心、すなわち脚部23の旋回軸心Rは、駆動輪21の接地位置から水平方向に所定の離間距離sだけオフセットされた位置とされている。この離間距離sは、旋回軸心Rと駆動軸心Qとの離間距離sである。より詳細には、離間距離sは、駆動軸心Qを含む接地面から鉛直方向に延びる仮想平面と旋回軸心Rとの最短距離である。例えば、図1に示すように、旋回軸心Rを下方に延伸する仮想の旋回軸心線は駆動輪21の幅の中心を通る位置に設定することができる。これは、平面図(例えば図6を参照することができる)における駆動輪21の幅の中心線の延長線上に旋回軸心Rが重なることを示す。   Further, the upper end of the leg portion 23 is supported by the main body portion 27 so as to be rotatable around a turning axis R extending in the vertical direction via a bearing 28. Here, the center of the bearing 28, that is, the pivot axis R of the leg portion 23, is a position offset from the ground contact position of the drive wheel 21 by a predetermined separation distance s in the horizontal direction. The separation distance s is the separation distance s between the turning axis R and the drive axis Q. More specifically, the separation distance s is the shortest distance between a virtual plane extending in the vertical direction from the ground contact surface including the drive axis Q and the turning axis R. For example, as shown in FIG. 1, the virtual turning axis center line extending the turning axis R downward can be set at a position passing through the center of the width of the drive wheel 21. This indicates that the turning axis R overlaps with an extension of the center line of the width of the drive wheel 21 in a plan view (for example, FIG. 6 can be referred to).

脚部23の上面には旋回軸心Rと同軸上に歯車29が取付けられて、本体部27に支持されている歯車31と噛合接続される。歯車31は、電気モータである第2の電気モータ32の出力軸33に支持固定されている。第2の電気モータ32の他端にはエンコーダ34が接続されて脚部23の回転角度すなわち操舵角度が検出される。第2の電気モータ32を駆動することによって、脚部23が旋回軸心Rを中心に回転し、旋回軸心Rと離間距離sだけオフセットされた位置にある駆動輪21を半径sの円弧上に旋回させることができる。   A gear 29 is mounted on the upper surface of the leg 23 coaxially with the pivot axis R and is meshed with a gear 31 supported by the main body 27. The gear 31 is supported and fixed to an output shaft 33 of a second electric motor 32 that is an electric motor. An encoder 34 is connected to the other end of the second electric motor 32 to detect the rotation angle of the leg 23, that is, the steering angle. By driving the second electric motor 32, the leg 23 rotates around the turning axis R, and the driving wheel 21 at a position offset from the turning axis R by a separation distance s is placed on an arc having a radius s. Can be swiveled.

このように、第1の電気モータ25で駆動輪21を回転駆動するとともに第2の電気モータ32で操舵することで、本体部27は前後、左右および旋回が可能であり、この全方向移動機構だけであれば全方向に瞬時に方向転換して移動することが可能である。   Thus, by rotating the drive wheel 21 with the first electric motor 25 and steering with the second electric motor 32, the main body 27 can be moved back and forth, left and right, and this omnidirectional movement mechanism. It is possible to change the direction instantly in all directions.

2.第1の実施形態
図3は、第1の実施形態に係る電動車いす100の側面図である。図4は、第1の実施形態に係る電動車いす100を模式的に示す概略平面図である。図5は、電動化ユニット2を説明するためのブロック図である。
2. First Embodiment FIG. 3 is a side view of an electric wheelchair 100 according to a first embodiment. FIG. 4 is a schematic plan view schematically showing the electric wheelchair 100 according to the first embodiment. FIG. 5 is a block diagram for explaining the electrification unit 2.

図3、図4に示すように、電動車いす100は、同一回転軸心線上に配置された2つの車輪を少なくとも有する手動車両の一例である手動車いす1と、手動車いす1に取り付けられた電動化ユニット2と、を含む。電動化ユニット2を市販の手動車いす1に取り付け
ていわゆる簡易電動車いすとすることができ、手動車いす1と電動化ユニット2をあらかじめ一体化した電動車いすとすることもできる。また、手動車いす1と電動化ユニット2との接続部分を容易に着脱可能な構造とすることもできる。
As shown in FIGS. 3 and 4, an electric wheelchair 100 includes a manual wheelchair 1 which is an example of a manual vehicle having at least two wheels arranged on the same rotation axis, and an electrification attached to the manual wheelchair 1. Unit 2 is included. The motorized unit 2 can be attached to a commercially available manual wheelchair 1 to form a so-called simple electric wheelchair, or the manual wheelchair 1 and the motorized unit 2 can be integrated in advance. Moreover, it can also be set as the structure which can attach or detach easily the connection part of the manual wheelchair 1 and the electrification unit 2. FIG.

手動車いす1は、座部16aと、座部16aを固定するフレーム12と、座部16aを挟んでフレーム12に同一の回転軸心線P’上で回転自在に取り付けられた2つの手動用の車輪13と、を含む。より詳細には、手動車いす1は、折り畳み可能な手動車いすであり、左右両側にほぼ対称形状のフレーム12が配設されている。このフレーム12は金属製のパイプなどを折り曲げたり、溶接したりすることによって形成されている。このフレーム12は、手動用の車輪13を車輪軸心Pを中心に回動自在に支持する車輪支持フレーム12aと、座部16aを支持する座部支持フレーム12bと、を有する。車輪軸心Pは、同一の仮想線である回転軸心線P’上にある。フレーム12は、さらに座部支持フレーム12bの後端から上方に延びる肘掛け支持フレーム12cと、背もたれ部16bを支持する背もたれ部支持フレーム12dと、座部支持フレーム12bの下方でほぼ平行に配置された下部フレーム12eとを有する。座部支持フレーム12bは更に前方下方へ延出されて、その下端部にステップ15を支持し、下部フレーム12eは前方下端部にキャスタ14が支持されている。なお、図3では説明のため、図の手前側の車輪13を省略して示している。また、ここでは省略しているが、手動用の車輪13には通常、車いす1を移動・操作するためのハンドトリムが設けられている。   The manual wheelchair 1 includes a seat portion 16a, a frame 12 that fixes the seat portion 16a, and two manual-use wheels that are rotatably attached to the frame 12 on the same rotational axis P ′ across the seat portion 16a. Wheel 13. More specifically, the manual wheelchair 1 is a foldable manual wheelchair, and substantially symmetrical frames 12 are disposed on both the left and right sides. The frame 12 is formed by bending or welding a metal pipe or the like. The frame 12 includes a wheel support frame 12a that supports a manual wheel 13 so as to be rotatable about a wheel axis P, and a seat support frame 12b that supports a seat 16a. The wheel axis P is on the rotation axis P ′ that is the same virtual line. The frame 12 is further arranged substantially in parallel below the armrest support frame 12c extending upward from the rear end of the seat support frame 12b, the backrest support frame 12d supporting the backrest 16b, and the seat support frame 12b. And a lower frame 12e. The seat support frame 12b extends further forward and downward, supports the step 15 at its lower end, and the lower frame 12e supports the caster 14 at the front lower end. In FIG. 3, the wheel 13 on the front side of the drawing is omitted for the sake of explanation. Although omitted here, the manual wheel 13 is usually provided with a hand trim for moving and operating the wheelchair 1.

手動車いす1は、車輪径が同じ2つの車輪13を同じ速度で同じ方向に回転させたとき、直進方向Tに前進または後退することができる。通常、手動車いす1を含む手動車両の2つの車輪13は、車輪径が同じであって、車輪軸心Pにおいて進行方向に対して旋回しないが、左右の車輪を異なる回転数で回転させることで手動車いす1を旋回移動することができる。電動車いす100は、電動化ユニット2を装着することにより、手動車いす1単体のときと同じ動作を実現することができる。なお、車いすが他の手動車両である場合には、同様に車輪径が同じであって、車輪軸心Pにおいて進行方向に対して旋回しない2つの車輪を有することができる。   The manual wheelchair 1 can move forward or backward in the straight traveling direction T when two wheels 13 having the same wheel diameter are rotated in the same direction at the same speed. Normally, the two wheels 13 of the manual vehicle including the manual wheelchair 1 have the same wheel diameter and do not turn with respect to the traveling direction at the wheel axis P, but by rotating the left and right wheels at different rotational speeds. The manual wheelchair 1 can be turned. The electric wheelchair 100 can realize the same operation as the case of the manual wheelchair 1 alone by mounting the electrification unit 2. When the wheelchair is another manual vehicle, it can have two wheels that have the same wheel diameter and do not turn in the wheel axis P with respect to the traveling direction.

電動化ユニット2は、フレーム12にフレーム220を介して取り付けられた本体部27と、本体部27に対して旋回軸心Rの周りに回転可能な脚部23と、旋回軸心Rに対して所定の離間距離sを隔てて配置された駆動軸心Qを有し、脚部23に対し駆動軸心Qの周りに回転自在に配置された駆動輪21と、駆動輪21を脚部23に対して回転させる第1の電気モータ25と、脚部23を本体部27に対して回転させる第2の電気モータ32と、電動車いす100の走行を操作する操作部230と、操作部230の操作によって出力された信号に基づいて第1の電気モータ25と第2の電気モータ32とを駆動させる制御部240と、を有する。   The electrification unit 2 includes a main body portion 27 attached to the frame 12 via a frame 220, a leg portion 23 that can rotate around the pivot axis R with respect to the main body portion 27, and a pivot axis R A drive wheel 21 having a drive shaft center Q arranged at a predetermined separation distance s and arranged to be rotatable around the drive shaft center Q with respect to the leg portion 23, and the drive wheel 21 on the leg portion 23. The first electric motor 25 that rotates relative to the main body 27, the second electric motor 32 that rotates the leg 23 relative to the main body 27, the operation unit 230 that operates the traveling of the electric wheelchair 100, and the operation of the operation unit 230 And a control unit 240 that drives the first electric motor 25 and the second electric motor 32 based on the signal output by.

フレーム220は、側面から見てL字状に形成され、図4に示すように電動車いす100の左右に一対設けられ、その上部に本体部27を架け渡して固定している。なお、図4は、主な構成の配置を説明するためにフレーム12などの構成を省略して示している。   The frame 220 is formed in an L shape when viewed from the side, and is provided as a pair on the left and right sides of the electric wheelchair 100 as shown in FIG. 4 omits the configuration of the frame 12 and the like in order to explain the arrangement of the main configuration.

本体部27の上部には第1の電気モータ25と第2の電気モータ32とが配置され、本体部27の下部には脚部23と駆動輪21が配置されている。図1,2で説明した全方向移動機構とは第1の電気モータ25と第2の電気モータ32の配置が違うが、基本的な構成は同じであり、第1の電気モータ25で駆動輪21を駆動軸心Qのまわりに回転駆動し、第2の電気モータ32で旋回軸心Rのまわりに脚部23を回転して駆動輪21を操舵することができる。   A first electric motor 25 and a second electric motor 32 are disposed on the upper portion of the main body portion 27, and a leg portion 23 and driving wheels 21 are disposed on the lower portion of the main body portion 27. Although the arrangement of the first electric motor 25 and the second electric motor 32 is different from the omnidirectional movement mechanism described in FIGS. 1 and 2, the basic configuration is the same. The drive wheel 21 can be steered by rotating the leg portion 23 around the turning axis R by the second electric motor 32 by rotating the drive shaft 21 around the drive axis Q.

操作部230は、肘掛け支持フレーム12cの先端に配置することができ、利用者が座
部16aに腰かけた状態で操作することができる。操作部230は、操作者の操作によって、電動車いす100の移動方向と移動速度を決定するための信号を出力する。車いす100の2つの手動用の車輪13の回転軸心線P’をY軸、該Y軸上の2つの車輪13間の中点(車輪13のトレッドの中点)を原点Oとして該Y軸に垂直な仮想直線をX軸(すなわち車いす100の直進方向Tである)とした車いす座標系を水平面内に設定したとき、操作部230におけるX方向とY方向は車いす座標系のX軸とY軸に平行である。操作者は、操作部230の例えばX方向への操作によって電動車いす100の直進速度Vの指令値とすることができ、X−Y座標系における位置操作によって電動車いす100の旋回速度Ωの指令値とすることができる。なお、手動車いすが他の手動車両である場合には、車いす座標系は手動車両座標系として説明することができる。
The operation unit 230 can be disposed at the tip of the armrest support frame 12c, and can be operated while the user is seated on the seat 16a. The operation unit 230 outputs a signal for determining the moving direction and moving speed of the electric wheelchair 100 according to the operation of the operator. The Y axis is the axis of rotation P ′ of the two manual wheels 13 of the wheelchair 100 as the Y axis, and the midpoint between the two wheels 13 on the Y axis (the midpoint of the tread of the wheel 13) is the origin O. X-axis perpendicular imaginary straight line (i.e. wheelchair 100 is a straight direction T of) when set to a the wheelchair coordinate system in a horizontal plane, X a direction Y a direction X-axis of the wheel chair coordinate system in the operation unit 230 And parallel to the Y axis. The operator, by operating on the example X a direction of the operation unit 230 can be a command value of the linear velocity V of the electric wheelchair 100, X a -Y a rotation speed of the electric wheelchair 100 by the position operation in the coordinate system Ω Command value. When the manual wheelchair is another manual vehicle, the wheelchair coordinate system can be described as a manual vehicle coordinate system.

操作部230は、電動車いす100の直進速度Vの指令値及び旋回速度Ωの指令値となる信号を制御部240に出力することができる公知の手段であるトラックボール、ホイール、ジョイスティックなどを採用することができ、特に、電動車いすに一般的に用いられるジョイスティックを採用することができる。ジョイスティックは、利用者の操作によるジョイスティックの傾き方向および傾き度合い(角度)に応じて、それぞれ電動車いすの移動方向および移動速度を決定することができる。例えば、ジョイスティックの前後方向(図4のX方向)の傾斜は電動車いす100の直進速度Vの指令値とすることができ、ジョイスティックの左右方向(図4のY方向)の傾斜は電動車いす100の旋回速度Ωの指令値とすることができる。 The operation unit 230 employs a track ball, a wheel, a joystick, or the like, which is a known means capable of outputting a signal serving as a command value for the straight traveling speed V and a command value for the turning speed Ω of the electric wheelchair 100 to the control unit 240. In particular, a joystick generally used for an electric wheelchair can be employed. The joystick can determine the moving direction and moving speed of the electric wheelchair according to the tilt direction and the tilt degree (angle) of the joystick by the user's operation. For example, the inclination in the longitudinal direction of the joystick (X a direction in FIG. 4) may be a command value of the linear velocity V of the electric wheelchair 100, the inclination of the left and right directions of the joystick (Y a direction in FIG. 4) is an electric wheelchair A command value of 100 turning speed Ω can be used.

図5に示すように、制御部240は、CPU(中央処理装置)などにより成り、操作部230から出力された信号を電動車いす100の直進速度Vの指令値及び旋回速度Ωの指令値として入力する入力部と、下記式(1)に基づいて駆動輪21の駆動軸心Qにおける第1の角速度ω及び脚部23の旋回軸心Rにおける第2の角速度ωを算出する計算部244と、第1の角速度ωと第2の角速度ωを第1の電気モータ25と第2の電気モータ32へ出力する出力部246と、を有する。 As shown in FIG. 5, the control unit 240 includes a CPU (central processing unit) and the like, and inputs signals output from the operation unit 230 as a command value for the straight traveling speed V and a command value for the turning speed Ω of the electric wheelchair 100. And a calculation unit 244 for calculating a first angular velocity ω w at the drive axis Q of the drive wheel 21 and a second angular velocity ω s at the turning axis R of the leg 23 based on the following equation (1). And an output unit 246 that outputs the first angular velocity ω w and the second angular velocity ω s to the first electric motor 25 and the second electric motor 32.

ここで、rは駆動輪21の半径、sは旋回軸心Rと駆動軸心Qとの離間距離である。より詳細には、離間距離sは、駆動軸心Qを含み接地面から鉛直方向に延びる仮想平面と旋回軸心Rとの最短距離である。また、2つの手動用の車輪13の回転軸心線P’をY軸、該Y軸上の2つの車輪13間の中点を原点Oとして該Y軸に垂直な仮想直線をX軸とした車いす座標系を水平面内に設定したとき、φはX軸(電動車いす100の直進方向T)に対する駆動輪21の進行方向のなす角度(図6で説明する)、x、yは車いす座標系における旋回軸心Rの位置であり、xは0でない。   Here, r is the radius of the drive wheel 21, and s is the separation distance between the pivot axis R and the drive axis Q. More specifically, the separation distance s is the shortest distance between the imaginary plane including the drive axis Q and extending in the vertical direction from the ground plane and the pivot axis R. The rotation axis P 'of the two manual wheels 13 is the Y axis, the midpoint between the two wheels 13 on the Y axis is the origin O, and the virtual straight line perpendicular to the Y axis is the X axis. When the wheelchair coordinate system is set in a horizontal plane, φ is an angle formed by the traveling direction of the drive wheel 21 with respect to the X axis (the straight traveling direction T of the electric wheelchair 100) (described in FIG. 6), and x and y are in the wheelchair coordinate system. This is the position of the pivot axis R, and x is not zero.

制御部240から出力された第1の角速度ωの指令値によって第1の電気モータ25を駆動して駆動輪21を駆動軸心Qの周りに第1の角速度ωで回転し、かつ、制御部240から出力された第2の角速度ωの指令値によって第2の電気モータ32を駆動して脚部23を本体部27(すなわち車いす100)に対して旋回軸心Rの周りに第2の角速度ωで回転する。その結果、車いす100は、操作者の意図した直進速度Vと旋回速度
Ωで移動することができる。
A first angular velocity omega w first electric motor 25 to drive the driving wheel 21 by a command value outputted from the control unit 240 rotates at a first angular velocity omega w around the drive axis Q, and, The second electric motor 32 is driven by the command value of the second angular velocity ω s output from the control unit 240, and the leg portion 23 is moved around the pivot axis R with respect to the main body portion 27 (that is, the wheelchair 100). Rotates at an angular velocity ω s of 2. As a result, the wheelchair 100 can move at the straight speed V and the turning speed Ω intended by the operator.

制御部240には、図示しないデータ記憶部を含むことができる。データ記憶部には、電動車いすを移動させるための所定の駆動制御データとして、例えば、上記式(1)の情報が保存され、計算部244の要求により読みだすことができる。データ記憶部としては、例えば、磁気ディスクの記録媒体、半導体記憶メモリなどを用いることができる。   The control unit 240 can include a data storage unit (not shown). In the data storage unit, for example, the information of the above formula (1) is stored as predetermined drive control data for moving the electric wheelchair, and can be read at the request of the calculation unit 244. As the data storage unit, for example, a recording medium of a magnetic disk, a semiconductor storage memory, or the like can be used.

電動車いす100の制御方法は、電動車いす100の直進速度Vの指令値及び旋回速度Ωの指令値から、上記式(1)に基づいて駆動軸心Qにおける第1の角速度ω及び前記旋回軸心における第2の角速度ωを算出し、駆動輪21を第1の角速度ωで駆動軸心Qの周りに回転し、駆動輪21を第2の角速度ωで旋回軸心Rの周りに回転する。 The control method of the electric wheelchair 100 is based on the first angular velocity ω w in the drive shaft center Q and the turning axis based on the above equation (1) from the command value of the straight speed V and the turning speed Ω of the electric wheelchair 100. A second angular velocity ω s at the center is calculated, the driving wheel 21 is rotated around the driving axis Q at the first angular velocity ω w , and the driving wheel 21 is rotated around the turning axis R at the second angular velocity ω s. Rotate to.

本実施の形態においては、駆動輪21を駆動軸心Qの周りに回転する電気モータとして第1の電気モータ25を用い、駆動輪21を脚部23とともに旋回軸心Rの周りに回転する電気モータとして第2の電気モータ32を用いたが、駆動輪の回転と旋回を別々の電気モータとせず、例えば、前記非特許文献5で発表されたような全方向移動機構を用いることがきる。   In the present embodiment, the first electric motor 25 is used as an electric motor that rotates the driving wheel 21 around the driving axis Q, and the driving wheel 21 rotates around the turning axis R together with the leg portion 23. Although the second electric motor 32 is used as the motor, the omnidirectional moving mechanism as disclosed in Non-Patent Document 5 can be used, for example, without rotating and rotating the driving wheels as separate electric motors.

3.第2の実施形態
図6は、第2の実施形態に係る電動車いすの全方向移動機構の一部を模式的に示す横断面図である。図7は、第2の実施形態に係る電動車いす100aを模式的に示す概略平面図である。
3. Second Embodiment FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a part of an omnidirectional movement mechanism of an electric wheelchair according to a second embodiment. FIG. 7 is a schematic plan view schematically showing the electric wheelchair 100a according to the second embodiment.

第2の実施形態に係る電動車いす100aは、図7に示すように、駆動輪21の配置が第1の実施形態と異なる。電動車いす100aの駆動輪21は、手動用の車輪13の回転軸心線P’よりも直進方向Tの前方であって、かつ、左側車輪13に近い位置に配置されている。つまり2つの手動用の車輪13の回転軸心線P’をY軸、該Y軸上の2つの車輪13間(トレッド)の中点を原点Oとして該Y軸に垂直な仮想直線をX軸とした車いす座標系を水平面内に設定して説明すると、駆動輪21の旋回軸心Rの位置は座標(x、y)で表すことができる。なお、xは0でない。xが0のとき、すなわち、駆動輪の旋回軸心Rと車輪13の回転軸心線P’とが重なるとき、車輪13は真横には動かないので電動車いす100aが移動できなくなるため、xは0でないこととする。なお、第1の実施形態に係る電動車いす100と共通する構成については、同じ符号を用いて説明し、重複する説明は省略する。   As shown in FIG. 7, the electric wheelchair 100a according to the second embodiment differs from the first embodiment in the arrangement of the drive wheels 21. The drive wheel 21 of the electric wheelchair 100 a is disposed in front of the rotational axis P ′ of the manual wheel 13 in the straight traveling direction T and close to the left wheel 13. That is, the rotation axis center line P ′ of the two manual wheels 13 is the Y axis, the midpoint between the two wheels 13 on the Y axis (tread) is the origin O, and a virtual straight line perpendicular to the Y axis is the X axis. When the wheelchair coordinate system is set in a horizontal plane, the position of the turning axis R of the drive wheel 21 can be expressed by coordinates (x, y). X is not 0. When x is 0, that is, when the turning axis R of the drive wheel and the rotational axis P ′ of the wheel 13 overlap, the wheel 13 does not move sideways, so the electric wheelchair 100a cannot move. It is assumed that it is not zero. In addition, about the structure which is common in the electric wheelchair 100 which concerns on 1st Embodiment, it demonstrates using the same code | symbol and the overlapping description is abbreviate | omitted.

第2の実施形態に係る電動車いす100aも、第1の実施形態と同様に制御することによって移動することが可能である。   The electric wheelchair 100a according to the second embodiment can also be moved by controlling in the same manner as in the first embodiment.

ここでは、図6,7を用いて、電動車いす100aの運動学モデルを説明することによって、電動車いす100aが上記式(1)の制御則にしたがって、従来の手動車いすのようなその場旋回や曲線走行が実現できることを説明する。   Here, the kinematic model of the electric wheelchair 100a will be described with reference to FIGS. 6 and 7, so that the electric wheelchair 100a can be turned in-situ like a conventional manual wheelchair according to the control law of the above formula (1). Explain that it is possible to achieve curving.

図6は、図7に示す電動車いす100aの駆動輪21と脚部23の概念図である。駆動輪21は、第1の実施形態で説明したように図示しない第1の電気モータと第2の電気モータの速度を協調制御することで並進速度の大きさと向きを自在に制御することができる。図6において、X軸とY軸は車いす座標系であり、VとVは旋回軸心Rにおける電動化ユニット2(アクティブキャスタ)の各速度成分、ωは駆動軸心Qにおける車輪軸角速度である第1の角速度、ωは旋回軸心Rにおける旋回軸角速度である第2の角速度、rは駆動輪21の半径、sは離間距離(駆動輪21の接地位置から旋回軸心Rまでの水平方向のキャスタのオフセット量)、φは駆動輪21の向き(駆動輪21の直進方向)が
X軸となす角である。このとき、駆動軸心Qの周りの第1の角速度ω及び旋回軸心Rの周りの第2の角速度ωと、旋回軸心Rに発生する速度の関係は下記式(2)で表わすことができる。
FIG. 6 is a conceptual diagram of the drive wheels 21 and the legs 23 of the electric wheelchair 100a shown in FIG. As described in the first embodiment, the drive wheel 21 can freely control the magnitude and direction of the translational speed by cooperatively controlling the speeds of the first electric motor and the second electric motor (not shown). . In FIG. 6, the X axis and the Y axis are wheelchair coordinate systems, V x and V y are speed components of the electrification unit 2 (active caster) in the turning axis R, and ω w is the wheel axis in the drive axis Q. The first angular velocity that is the angular velocity, ω s is the second angular velocity that is the angular velocity of the turning shaft R, r is the radius of the driving wheel 21, and s is the separation distance (the turning axis R from the ground contact position of the driving wheel 21). ) Is an angle formed by the direction of the driving wheel 21 (the straight traveling direction of the driving wheel 21) and the X axis. At this time, the relationship between the first angular velocity ω w around the drive axis Q and the second angular velocity ω s around the turning axis R and the speed generated in the turning axis R is expressed by the following equation (2). be able to.

図7に示すように、電動車いす100aにおいては、通常では駆動輪は車いすの中心軸上に設置されることが多いと考えられるが、ここでは一般化のため任意の位置(ただし、xは0ではない)に設置された場合の運動学モデルを構築する。電動車いす100aの左右の車輪13間(トレッド)の中点を原点Oとし、電動車いす100aの直進方向TにX軸が向くように車いす座標系を設置している。   As shown in FIG. 7, in the electric wheelchair 100a, it is usually considered that the drive wheels are usually installed on the central axis of the wheelchair, but here, for generalization, any position (however, x is 0). Build a kinematic model when it is installed. The wheelchair coordinate system is set so that the midpoint between the left and right wheels 13 (tread) of the electric wheelchair 100a is the origin O, and the X axis is oriented in the straight traveling direction T of the electric wheelchair 100a.

このとき、電動化ユニット2(アクティブキャスタ)の発生するX方向、Y方向の速度成分であるVとVは、電動車いす100aの直進方向T(ここではX軸方向)の移動速度Vおよび座標系原点O周りの旋回速度Ωにて下記式(3)のように求められる。 At this time, V x and V y which are speed components in the X direction and Y direction generated by the electrification unit 2 (active casters) are the moving speed V in the straight traveling direction T (here, the X axis direction) of the electric wheelchair 100a and The rotation speed Ω around the coordinate system origin O is obtained as in the following formula (3).

電動車いす100aの操縦は、操作部230の例えばジョイスティックを用いて行われるものとすると、ジョイスティックの前後方向の傾斜が直進速度Vの指令値、左右方向の傾斜が旋回速度Ωの指令値とそれぞれみなすことができる。よって、電動化ユニット2(アクティブキャスタ)の駆動軸心Qおよび旋回軸心Rの制御則は上記式(2)、(3)を用いて下記式(1)のように求められる。   When the electric wheelchair 100a is operated using, for example, a joystick of the operation unit 230, the forward / backward inclination of the joystick is regarded as a command value for the straight traveling speed V, and the lateral inclination is regarded as a command value for the turning speed Ω. be able to. Therefore, the control law of the drive shaft center Q and the turning shaft center R of the electrification unit 2 (active caster) is obtained by the following equation (1) using the above equations (2) and (3).

このように、電動車いす100aの運動により、電動化ユニット2(アクティブキャスタ)の駆動軸心Qおよび旋回軸心Rの第1の角速度ωおよび第2の角速度ωは一意に決定できることがわかる(ただし、xは0でない)。 Thus, it can be seen that the first angular velocity ω w and the second angular velocity ω s of the drive axis Q and the pivot axis R of the electrification unit 2 (active caster) can be uniquely determined by the movement of the electric wheelchair 100a. (However, x is not 0).

一方、従来の手動車いす1における、車いすの運動(車いすの直進速度Vと旋回速度Ω)と左右の車輪13の発生する速度(左車輪の直進速度V、右車輪の直進速度V)は
図13に示すようであり、その関係は下記式(4)で表すことができる。
On the other hand, in the conventional manual wheelchair 1, the movement of the wheelchair (the straight traveling speed V and the turning speed Ω of the wheelchair) and the speed generated by the left and right wheels 13 (the straight traveling speed V l of the left wheel and the straight traveling speed V r of the right wheel) are: As shown in FIG. 13, the relationship can be expressed by the following formula (4).

このように、手動車いす1の左右の車輪13の発生する速度も車いす1の運動により一意に決定されることから、電動化ユニット2(アクティブキャスタ)により同一の動作を生成することが可能であることがわかる。つまり、駆動輪21の一輪で推進するにもかかわらず、その駆動輪21の向きにかかわらず、即座に電動車いす100aのその場旋回や、曲線走行などが実現できる。   In this way, the speed generated by the left and right wheels 13 of the manual wheelchair 1 is also uniquely determined by the movement of the wheelchair 1, so that the same operation can be generated by the motorized unit 2 (active caster). I understand that. That is, in spite of propulsion with one drive wheel 21, regardless of the direction of the drive wheel 21, an in-situ turn of the electric wheelchair 100a or a curved traveling can be realized immediately.

したがって、第1の実施形態に係る電動車いす100及び第2の実施形態に係る電動車いす100aは、操作部230からの入力を制御部240において上記式(1)で計算することによって、駆動輪21を回転及び/又は旋回させて操作者の意図した動作を実現することがわかる。   Therefore, in the electric wheelchair 100 according to the first embodiment and the electric wheelchair 100a according to the second embodiment, the input from the operation unit 230 is calculated by the above-described formula (1) in the control unit 240, thereby driving wheels 21. It can be seen that the movement intended by the operator is realized by rotating and / or turning.

4.第3の実施形態
図8は、第3の実施形態に係る電動車いす100bを模式的に示す概略側面図である。
4). Third Embodiment FIG. 8 is a schematic side view schematically showing an electric wheelchair 100b according to a third embodiment.

基本的な構成は、第1及び第2の実施形態に係る電動車いす100,100aと同じであるが、電動化ユニット2の支持構造が異なる。電動車いす100bは、下部フレーム12eに本体部27を載置した2本のフレーム220bを直接固定することができる。このようにすることで、第1の実施の形態のようにフレーム220をL字状に構成することなく、電動化ユニット2をフレーム12に取り付けることができるので、構造が単純で安定しており、部品点数が削減できるため、軽量化と省コストを実現することができる。   The basic configuration is the same as that of the electric wheelchairs 100 and 100a according to the first and second embodiments, but the support structure of the electromotive unit 2 is different. The electric wheelchair 100b can directly fix the two frames 220b on which the main body 27 is placed on the lower frame 12e. By doing in this way, since the motorized unit 2 can be attached to the frame 12 without configuring the frame 220 in an L shape as in the first embodiment, the structure is simple and stable. Since the number of parts can be reduced, weight saving and cost saving can be realized.

5.第4の実施形態
図9は、第4の実施形態に係る電動車いす100cを模式的に示す概略側面図である。
5. Fourth Embodiment FIG. 9 is a schematic side view schematically showing an electric wheelchair 100c according to a fourth embodiment.

基本的な構成は、第1〜3の実施形態に係る電動車いす100,100a,100bと同じであるが、電動化ユニット2の支持構造が異なる。電動車いす100cは、座部支持フレーム12bを後方に延長し、さらにその座部支持フレーム12bから下方に4本の支柱220cを吊り下げ固定し、その4本の支柱220cの下端にフレーム220dを固定し、そのフレーム220d上に本体部27を固定することができる。このようにすることで、電動化ユニット2を確実にフレーム12に取り付けることができる。   The basic configuration is the same as that of the electric wheelchairs 100, 100a, and 100b according to the first to third embodiments, but the support structure of the electromotive unit 2 is different. The electric wheelchair 100c extends the seat support frame 12b rearward, further hangs and fixes four support columns 220c downward from the seat support frame 12b, and fixes the frame 220d to the lower ends of the four support columns 220c. The main body 27 can be fixed on the frame 220d. In this way, the electrification unit 2 can be securely attached to the frame 12.

なお、前記実施形態においては、手動車両として手動車いすを用いた例について説明したが、これに限らず、例えば、荷物の運搬などに用いる台車などを用いることができる。その場合、手動車両は、少なくとも同一回転軸線上に配置された2つの車輪を有する。また、前記実施形態においては、手動車両としての手動車いすに電動化ユニットを取り付けたいわゆる簡易電動車いすについて述べたが、これに限らず、手動車いすと電動化ユニットを工場組立時に一体化した電動車いすとすることができる。   In the above-described embodiment, an example in which a manual wheelchair is used as a manual vehicle has been described. However, the present invention is not limited to this, and for example, a carriage used for carrying goods can be used. In that case, the manual vehicle has at least two wheels arranged on the same rotational axis. In the above-described embodiment, a so-called simple electric wheelchair in which a motorized unit is attached to a manual wheelchair as a manual vehicle has been described. It can be.

6.第5の実施形態
第5の実施形態に係る電動車いす100eについて、図14〜図19を用いて説明する。
6). Fifth Embodiment An electric wheelchair 100e according to a fifth embodiment will be described with reference to FIGS.

図14及び図15は、第5の実施形態に係る電動車いす100eを模式的に示す概略平面図である。図16は、第5の実施形態に係る電動車いすを模式的に示す概略側面図である。図17は、第5の実施形態に係る電動車いすの電動化ユニットに用いる全方向移動機構を模式的に示す背面図である。図18は、第5の実施形態に係る電動車いすの旋回動作シミュレーション結果を示す図である。図19は、第5の実施形態に係る電動車いすの旋回動作シミュレーション結果を示す図である。   14 and 15 are schematic plan views schematically showing an electric wheelchair 100e according to the fifth embodiment. FIG. 16 is a schematic side view schematically showing an electric wheelchair according to the fifth embodiment. FIG. 17 is a rear view schematically showing an omnidirectional movement mechanism used in the electric wheelchair electrification unit according to the fifth embodiment. FIG. 18 is a diagram illustrating a simulation result of the turning operation of the electric wheelchair according to the fifth embodiment. FIG. 19 is a diagram illustrating a turning operation simulation result of the electric wheelchair according to the fifth embodiment.

図14及び図15に示す第5の実施形態に係る電動車いす100eは、従動輪である2つのキャスタ14を電動車いす100eの前方に表示している点が図7及び図13で説明した第2の実施形態に係る電動車いす100aと異なる。しかし、図7及び図13の電動車いす100aはキャスタを省略して記載しただけであって、基本的な5つの車輪の構成は第5の実施の形態と同じである。図14及び図15では図示を省略しているが、第5の実施形態に係る電動車いす100eは、2つの従動輪であるキャスタ14の旋回動作を拘束する拘束機構と、フレームを本体部に対して相対的に移動させ、手動用の車輪13を接地状態と非接地状態とに変更するアクチュエータと、をさらに有する点で第2の実施形態に係る電動車いす100aとは異なる。拘束機構とアクチュエータについては、後述する。また、第2の実施形態と重複する部分についての説明は省略する。   The electric wheelchair 100e according to the fifth embodiment shown in FIGS. 14 and 15 is the second described in FIGS. 7 and 13 in that the two casters 14 that are driven wheels are displayed in front of the electric wheelchair 100e. This is different from the electric wheelchair 100a according to the embodiment. However, the electric wheelchair 100a of FIGS. 7 and 13 is only described with the casters omitted, and the basic configuration of the five wheels is the same as that of the fifth embodiment. Although not shown in FIGS. 14 and 15, the electric wheelchair 100e according to the fifth embodiment includes a restraining mechanism that restrains the turning operation of the casters 14 that are two driven wheels, and a frame with respect to the main body. It is different from the electric wheelchair 100a according to the second embodiment in that it further includes an actuator that moves the wheel 13 for manual operation to a grounded state and a non-grounded state. The restraining mechanism and the actuator will be described later. Further, the description of the parts overlapping with those of the second embodiment is omitted.

ここでは、まず、図14を用いて、電動車いす100eの運動学モデルを説明することによって、電動車いす100eが上記式(1)の制御則にしたがって、手動用の車輪13側での旋回動作と、キャスタ14側での旋回動作とが実現できることを説明する。   Here, first, the kinematic model of the electric wheelchair 100e will be described with reference to FIG. 14, so that the electric wheelchair 100e can be turned on the manual wheel 13 side according to the control law of the above formula (1). Next, it will be described that the turning operation on the caster 14 side can be realized.

図14において、電動車いす100eは、2つの手動用の車輪13が接地状態にあり、図7と全く同様であって、電動化ユニット2(アクティブキャスタ)の駆動輪21は下記式(1)に基づいて動作し、電動車いす100eを制御することができる。具体的には、図14における電動車いす100eの制御方法は、電動車いす100eの直進速度Vの指令値及び旋回速度Ωの指令値から、下記式(1)に基づいて駆動軸心Qにおける第1の角速度ω及び旋回軸心Rにおける第2の角速度ωを算出し、駆動輪21を第1の角速度ωで駆動軸心Qの周りに回転し、駆動輪21を第2の角速度ωで旋回軸心Rの周りに回転する。 In FIG. 14, the electric wheelchair 100e has two manual wheels 13 in a grounded state, which is exactly the same as in FIG. 7, and the drive wheel 21 of the motorized unit 2 (active caster) is expressed by the following equation (1). Based on this, the electric wheelchair 100e can be controlled. Specifically, the control method of the electric wheelchair 100e in FIG. 14 is based on the first value in the drive shaft center Q based on the following equation (1) from the command value of the straight traveling speed V and the command value of the turning speed Ω of the electric wheelchair 100e. and of calculating a second angular velocity omega s of the angular velocity omega w and swivel axis R, the drive wheel 21 rotates around the drive axis Q in the first angular velocity omega w, the drive wheel 21 and the second angular velocity omega Rotate around the pivot axis R at s .

なお、rは駆動輪21の半径、sは旋回軸心Rと駆動軸心Qの離間距離である。より具体的には、sは、駆動軸心Qを含む水平面内における駆動軸心Qと旋回軸心Rとのもっとも近接した離間距離である。また、2つの手動用の車輪13の回転軸心線P’をY軸、Y軸上の2つの手動用の車輪13間の中点を原点OとしてY軸に垂直な仮想直線をX軸とした車いす座標系X−Yを水平面内に設定したとき、φはX軸(電動車いす100eの直進方向)に対する駆動輪21の進行方向のなす角度、x、yは車いす座標系X−Yにおける旋回軸心Rの位置であり、xは0ではないものとする。   Here, r is the radius of the drive wheel 21, and s is the separation distance between the turning axis R and the driving axis Q. More specifically, s is the closest distance between the drive axis Q and the turning axis R in the horizontal plane including the drive axis Q. Further, the rotation axis center line P ′ of the two manual wheels 13 is the Y axis, the midpoint between the two manual wheels 13 on the Y axis is the origin O, and the virtual straight line perpendicular to the Y axis is the X axis. When the wheelchair coordinate system XY is set in the horizontal plane, φ is the angle formed by the traveling direction of the drive wheel 21 with respect to the X axis (straight direction of the electric wheelchair 100e), and x and y are turning in the wheelchair coordinate system XY. It is the position of the axis R, and x is not 0.

図14の状態での電動車いす100eの旋回中心は、車いす座標系X−Yの(x、y)
=(0,0)であり、すなわち、2つの手動用の車輪13間の中点(原点O)の位置にある。このように電動車いす100eの後輪側に旋回中心がある場合には、一般に、直進走行性に優れ、特に高速で走行する場合には操作が容易であるという有利な特徴を有する。しかし、一方で、電動車いす100eの後輪側に旋回中心がある場合には、狭い角を曲がる場合や、幅寄せなどの操作において不利である。
The turning center of the electric wheelchair 100e in the state of FIG. 14 is (x, y) in the wheelchair coordinate system XY.
= (0, 0), that is, at the position of the midpoint (origin O) between the two manual wheels 13. As described above, when the turning center is located on the rear wheel side of the electric wheelchair 100e, there is an advantageous characteristic that, in general, the vehicle is excellent in straight running performance, and particularly easy to operate when traveling at a high speed. However, on the other hand, when there is a turning center on the rear wheel side of the electric wheelchair 100e, it is disadvantageous in turning narrow corners and operations such as width adjustment.

そこで、本実施の形態においては、図14の状態から図15の状態へ電動車いす100eの旋回中心を変更する。具体的には、図示していない拘束機構によってキャスタ14の転がり方向を直進方向Tに合わせ、さらに図示していないアクチュエータによって手動用の車輪13を浮かせて非接地状態とする。図14では5つの車輪が設置していたのに対し、図15では3つの車輪だけが設置した3輪タイプの車いすとなる。キャスタ14は、拘束機構により拘束されているため自身での旋回動作が制限されている。   Therefore, in the present embodiment, the turning center of the electric wheelchair 100e is changed from the state of FIG. 14 to the state of FIG. Specifically, the rolling direction of the caster 14 is adjusted to the straight traveling direction T by a restraining mechanism (not shown), and the manual wheel 13 is floated by an actuator (not shown) to be in a non-grounded state. In FIG. 14, five wheels are installed, whereas in FIG. 15, the wheelchair is a three-wheel type in which only three wheels are installed. Since the caster 14 is restrained by the restraining mechanism, its own turning operation is restricted.

図15における電動車いす100eの場合にも上記式(1)を用いて制御することができるが、その場合には、電動車いす100eの旋回中心が原点Oから原点O’へと変更されていることに伴い、車いす座標系X−Yを車いす座標系X’−Y’へと変更する必要があり、したがって、電動車いす100eの制御部において上記式(1)を下記式(5)に切り替えて制御することができる。   The electric wheelchair 100e in FIG. 15 can also be controlled using the above formula (1), but in this case, the turning center of the electric wheelchair 100e is changed from the origin O to the origin O ′. Accordingly, it is necessary to change the wheelchair coordinate system XY to the wheelchair coordinate system X′-Y ′. Therefore, the control unit of the electric wheelchair 100e switches the above formula (1) to the following formula (5) for control. can do.

電動車いす100eの旋回中心である原点O’は、キャスタ14間の中点であり、電動車いす100eの制御部は、操作部から出力された信号をキャスタ14間の中点における電動車いす100eの直進速度Vの指令値及び旋回速度Ωの指令値として入力し、式(5)に基づいて電動車いす100eの進行方向を変更することができる。具体的には、図15における電動車いす100eの制御方法は、電動車いす100eの直進速度Vの指令値及び旋回速度Ωの指令値から、上記式(5)に基づいて駆動軸心Qにおける第1の角速度ω及び旋回軸心Rにおける第2の角速度ωを算出し、駆動輪21を第1の角速度ωで駆動軸心Qの周りに回転し、駆動輪21を第2の角速度ωで旋回軸心Rの周りに回転する。 The origin O ′, which is the turning center of the electric wheelchair 100e, is the midpoint between the casters 14, and the control unit of the electric wheelchair 100e travels the signal output from the operation unit straight ahead of the electric wheelchair 100e at the midpoint between the casters 14. By inputting the command value for the speed V 2 and the command value for the turning speed Ω 2 , the traveling direction of the electric wheelchair 100e can be changed based on the equation (5). Specifically, the control method of the electric wheelchair 100e in FIG. 15, the command value and the command value of the swing speed Omega 2 of the linear velocity V 2 of the electric wheelchair 100e, the drive axis Q based on the equation (5) The first angular velocity ω w and the second angular velocity ω s at the turning axis R are calculated, the driving wheel 21 is rotated around the driving axis Q at the first angular velocity ω w , and the driving wheel 21 is moved to the second angular velocity ω w . It rotates around the pivot axis R at an angular velocity ω s .

なお、rは駆動輪21の半径、sは旋回軸心Rと駆動軸心Qの離間距離である点は図14の状態と同じである。また、2つのキャスタ14の回転軸心線PをY’軸、該Y’軸上の2つのキャスタ14間の中点を原点O’として該Y’軸に垂直な仮想直線をX’軸とした第2の車いす座標系X’−Y’を水平面内に設定したとき、φはX’軸(車いすの直進方向T)に対するキャスタ14の進行方向のなす角度、x、yは車いす座標系X’−Y’における旋回軸心Rの位置であり、xは0でない。 14 is the same as the state of FIG. 14 in that r is the radius of the drive wheel 21 and s is the separation distance between the pivot axis R and the drive axis Q. Further, the rotation center line P2 of the two casters 14 is the Y ′ axis, the midpoint between the two casters 14 on the Y ′ axis is the origin O ′, and the virtual straight line perpendicular to the Y ′ axis is the X ′ axis. When the second wheelchair coordinate system X′-Y ′ is set in the horizontal plane, φ 2 is the angle formed by the traveling direction of the caster 14 with respect to the X ′ axis (straight direction T of the wheelchair), and x 2 and y 2 are the position of the pivot axis R of the wheel chair coordinate system X'-Y ', x 2 is not zero.

したがって、第5の実施形態に係る電動車いす100eは、操作部230からの入力を制御部240において上記式(1)または上記式(5)で計算することによって、駆動輪21を回転及び/又は旋回させて操作者の意図した動作を実現することができる。   Therefore, the electric wheelchair 100e according to the fifth embodiment rotates and / or rotates the driving wheel 21 by calculating the input from the operation unit 230 in the control unit 240 using the above formula (1) or the above formula (5). The operation intended by the operator can be realized by turning.

このように、電動車いす100eの旋回中心が車いす前方のキャスタ14間の中点に変更されることにより、車いすの操作性も大きく変更され、狭い角を曲がる場合や、幅寄せ
などの操作が容易になる。したがって、車いすの使用者は、その使用環境などを考慮し、1台の電動車いす100eによって、屋内、屋外などの使用環境の変化に合わせて、後輪である手動用の車輪13側に旋回中心を有する制御と、前輪であるキャスタ14側に旋回中心を有する制御とを使い分けることができる。すなわち、1台の車いすで、多様な環境において操作性を向上させることができる車いす駆動システムを提供することができる。
Thus, by changing the turning center of the electric wheelchair 100e to the midpoint between the casters 14 in front of the wheelchair, the operability of the wheelchair is also greatly changed, and it is easy to perform operations such as turning a narrow corner or shifting the width. become. Therefore, the wheelchair user considers the usage environment and the like, and the center of the wheelchair is turned to the manual wheel 13 side as the rear wheel in accordance with the change in the usage environment such as indoors and outdoors by using one electric wheelchair 100e. And a control having a turning center on the caster 14 side which is the front wheel. That is, it is possible to provide a wheelchair drive system that can improve operability in various environments with a single wheelchair.

図16に示すように、第5の実施形態に係る電動車いす100eは、フレーム等の形状を省略しているが、第1の実施形態の電動車いす100aの基本的な構成が同じである。なお、図16〜図19における駆動輪21の配置が図14,15とは異なるが、上記制御式(1)、(5)はそのまま用いることができる。電動車いす100eは、手動車いす1eと、手動車いす1eに取り付けられた電動化ユニット2eと、を含む。電動車いす100eにおける手動車いす1eは、図示しない座部が設けられたフレーム12と、座部を挟んでフレーム12に同一の回転軸心線P’上の車輪軸心Pで回転自在に取り付けられた2つの手動用の車輪13と、フレーム12の前方のステップ15の下方に回転自在に取り付けられた2つのキャスタ14を有する。なお、ここでは、第1の実施形態の説明と重複する説明は省略する。   As shown in FIG. 16, the electric wheelchair 100e according to the fifth embodiment omits the shape of a frame and the like, but the basic configuration of the electric wheelchair 100a according to the first embodiment is the same. Although the arrangement of the drive wheels 21 in FIGS. 16 to 19 is different from that in FIGS. 14 and 15, the control equations (1) and (5) can be used as they are. The electric wheelchair 100e includes a manual wheelchair 1e and a motorized unit 2e attached to the manual wheelchair 1e. The manual wheelchair 1e in the electric wheelchair 100e is attached to the frame 12 provided with a seat portion (not shown) and the wheel shaft center P on the same rotational axis P ′ to the frame 12 with the seat portion interposed therebetween. Two manual wheels 13 and two casters 14 rotatably mounted below a step 15 in front of the frame 12 are provided. Here, the description overlapping with the description of the first embodiment is omitted.

キャスタ14は、手動車いす1の従動輪であるが、図示しない拘束機構によってキャスタ14の旋回動作が拘束される。拘束機構は、キャスタ14の車輪部分を回転自在に保持する本体部分をフレーム12に対して旋回しないように固定するものであれば、公知の機構を採用することができる。例えば、フレーム12にロックピンを設け、キャスタ14の本体部分に設けた所定の穴に係合してもよい。拘束機構は、電気的方法、磁気的方法または手動によって動作する方式を採用することができる。キャスタ14の向き、すなわち、キャスタ14の車輪の転がり方向は、電動車いす100eの直進方向Tに合わせて固定される。キャスタ14は、周知のように手動用の車輪13を操作して直進方向Tに前進させれば、自動的に旋回してその直進方向Tに合うように向きを変える。そのようにして、キャスタ14の転がり方向を直進方向Tに合わせたところで拘束機構によって拘束すればよい。   The caster 14 is a driven wheel of the manual wheelchair 1, but the turning operation of the caster 14 is restrained by a restraining mechanism (not shown). As the restraining mechanism, a known mechanism can be adopted as long as the main body portion that rotatably holds the wheel portion of the caster 14 is fixed with respect to the frame 12 so as not to turn. For example, a lock pin may be provided in the frame 12 and engaged with a predetermined hole provided in the main body portion of the caster 14. The restraining mechanism can employ an electric method, a magnetic method, or a manual operation method. The direction of the caster 14, that is, the rolling direction of the wheels of the caster 14, is fixed in accordance with the straight traveling direction T of the electric wheelchair 100e. As is well known, when the caster 14 is operated in the straight direction T by operating the manual wheel 13, the caster 14 automatically turns and changes its direction to match the straight direction T. In this way, it is only necessary to restrain the caster 14 by the restraining mechanism when the rolling direction of the caster 14 matches the straight traveling direction T.

図17は、電動化ユニット2eを電動車いす100eの後方から見た背面図であるが、説明のために平歯車41を断面で示している。電動化ユニット2eは、フレーム12に図16に示すようなフレーム220を介して軸Pwで回動可能に取り付けられた本体部27と、本体部27に対して旋回軸心Rの周りに回転可能な脚部23と、旋回軸心Rに対して所定の離間距離sを隔てて配置された駆動軸心Qを有し、脚部23に対し駆動軸心Qの周りに回転自在に配置された駆動輪21と、を有する。電動化ユニット2eは、図17に示すように、平歯車40,41,42及び傘歯車43,44を介して駆動輪21を脚部23に対して回転させる第1の電気モータ25と、平歯車29,31を介して脚部23を本体部27に対して回転させる第2の電気モータ32と、を有する。   FIG. 17 is a rear view of the electrification unit 2e as seen from the rear of the electric wheelchair 100e, but the spur gear 41 is shown in cross section for the sake of explanation. The electrification unit 2e is rotatable around the pivot axis R with respect to the main body 27 and the main body 27 attached to the frame 12 via a frame 220 as shown in FIG. And a drive shaft center Q disposed at a predetermined separation distance s with respect to the pivot axis R, and is disposed so as to be rotatable around the drive axis Q with respect to the leg portion 23. Drive wheel 21. As shown in FIG. 17, the electrification unit 2 e includes a first electric motor 25 that rotates the driving wheel 21 relative to the leg portion 23 via the spur gears 40, 41, 42 and the bevel gears 43, 44, And a second electric motor 32 that rotates the leg portion 23 with respect to the main body portion 27 via gears 29 and 31.

アクチュエータ50は、フレーム12を電動化ユニット2eの本体部27に対して相対的に移動させ、手動用の車輪13を接地状態と非接地状態とに変更することができる。すなわち、アクチュエータ50を駆動させることによって、手動用の車輪13が地表から離れるまでフレーム12を上昇させ、前輪の2つのキャスタ14及び駆動輪21だけで接地する3輪タイプに変更することができる。このとき、キャスタ14は拘束機構によって拘束され、電動車いす100eの旋回動作及び進退動作については電動化ユニット2eの駆動輪21が行う。アクチュエータ50の下端は電動化ユニット2eの本体部27の後方上面に固定し、アクチュエータ50のロッド部52の先端はフレーム12の例えば背もたれ部分の後方に固定することができる。アクチュエータ50を駆動することで、ロッド部52がアクチュエータ50に対し進退移動し、本体部27とフレーム12との間の距離を変更することができる。   The actuator 50 can move the frame 12 relative to the main body 27 of the electrification unit 2e to change the manual wheel 13 between a grounded state and a non-grounded state. That is, by driving the actuator 50, the frame 12 can be raised until the manual wheel 13 is separated from the ground surface, and the three-wheel type can be changed to the ground by only the two casters 14 and the driving wheels 21 of the front wheels. At this time, the caster 14 is restrained by the restraining mechanism, and the driving wheel 21 of the electrification unit 2e performs the turning operation and the retreating operation of the electric wheelchair 100e. The lower end of the actuator 50 can be fixed to the rear upper surface of the main body 27 of the electrification unit 2e, and the tip of the rod portion 52 of the actuator 50 can be fixed to the rear of the backrest portion of the frame 12, for example. By driving the actuator 50, the rod portion 52 moves forward and backward with respect to the actuator 50, and the distance between the main body portion 27 and the frame 12 can be changed.

したがって、電動車いす100eは、フレーム12の前方に取り付けられた2つの従動輪(本実施の形態ではキャスタ14)と、その従動輪の旋回動作を拘束する拘束機構と、フレーム12の後方に取り付けられた2つの手動用の車輪13と、電気モータ25,32によって電動車いす100を旋回動作及び進退動作することができる駆動輪21と、駆動輪21に対してフレーム12を昇降させるアクチュエータ50と、を有し、このアクチュエータ50によって手動用の車輪13を接地状態と非接地状態とに変更することができることも新規な特徴である。特に、電動車いす100eは、進退動作及び旋回動作を行う1輪の駆動輪21と、駆動機構を有していない4つの従動輪と、を有し、少なくとも2つの従動輪を昇降可能なアクチュエータ50によって、5輪接地状態と3輪接地状態とに変更可能なことは新規な特徴部分である。このような構成を採用することによって、3輪接地状態では前輪駆動タイプの電動車いすのような小回りの利く室内移動に有利な電動車いすと、5輪接地状態では後輪駆動タイプの電動車いすのような安定した高速及び長距離移動のある室外移動に有利な電動車いすと、を1台の車いすによって自由に切り替え可能であるという格別の効果を有することができる。   Therefore, the electric wheelchair 100e is attached to the rear of the frame 12 with two driven wheels (the casters 14 in the present embodiment) attached to the front of the frame 12, a restraining mechanism for restricting the turning operation of the driven wheels. The two manual wheels 13, the drive wheel 21 that can turn and move the electric wheelchair 100 by the electric motors 25 and 32, and the actuator 50 that moves the frame 12 up and down with respect to the drive wheel 21. It is also a novel feature that the manual wheel 13 can be changed between a grounded state and a non-grounded state by the actuator 50. In particular, the electric wheelchair 100e has one driving wheel 21 that performs forward / backward movement and turning operation, and four driven wheels that do not have a driving mechanism, and is an actuator 50 that can move up and down at least two driven wheels. It is a novel feature that it is possible to change between a five-wheel grounding state and a three-wheel grounding state. By adopting such a configuration, an electric wheelchair that is advantageous for indoor movement with a small turn like a front wheel drive type electric wheelchair in a three-wheel grounding state, and a rear wheel drive type electric wheelchair in a five-wheel grounding state. An electric wheelchair that is advantageous for outdoor movement with stable high-speed and long-distance movement can have a special effect that it can be freely switched by one wheelchair.

また、電動車いす100eのアクチュエータ50は、5輪接地状態からロッド部52を縮めてキャスタ14を浮かせることもでき、その場合には手動用の車輪13と駆動輪21が設置する3輪接地状態に変更することができる。このようにキャスタ14を非接地状態とすると、例えば比較的大きめの段差を電動車いす100eで乗り超える際に、キャスタ14をその段差に乗り上げやすくなり、段差があっても比較的容易に操作することができる。   Further, the actuator 50 of the electric wheelchair 100e can also retract the caster 14 by contracting the rod portion 52 from the five-wheel grounding state, and in this case, the three-wheel grounding state in which the manual wheel 13 and the driving wheel 21 are installed. Can be changed. Thus, when the caster 14 is in a non-grounded state, for example, when a relatively large step is climbed over with the electric wheelchair 100e, the caster 14 can be easily climbed on the step, and even if there is a step, the caster 14 can be operated relatively easily. Can do.

アクチュエータ50としては、公知の駆動機構を用いることができ、例えば、直動型の駆動機構であることができ、リニアモータ、ボールねじ機構などの電動機構の他、油圧機構、空圧機構または手動機構などを採用することができる。また、フレーム12と電動化ユニット2eとの間にサスペンション機構を採用することもできる。   As the actuator 50, a known drive mechanism can be used. For example, it can be a direct drive type drive mechanism. In addition to an electric mechanism such as a linear motor or a ball screw mechanism, a hydraulic mechanism, a pneumatic mechanism, or a manual mechanism can be used. A mechanism or the like can be employed. A suspension mechanism can also be employed between the frame 12 and the motorized unit 2e.

図18及び図19は、第5の実施の形態に係る電動車いす100eを手動用の車輪13を非接地状態に浮かせて3輪にしたときの旋回動作のシミュレーション結果を示す図である。電動車いす100eは、前輪であるキャスタ14の間の中点の原点O’を中心とした旋回動作を行うことができることがわかった。また、実際の電動車いすにおいても同様に手動用の車輪を浮かせた状態で旋回動作すると、前輪であるキャスタ間の中点を中心に旋回動作できた。   FIGS. 18 and 19 are diagrams showing simulation results of the turning operation when the electric wheelchair 100e according to the fifth embodiment is made into three wheels by floating the manual wheel 13 in a non-grounded state. It has been found that the electric wheelchair 100e can perform a turning operation around the origin O 'at the midpoint between the casters 14 as the front wheels. Similarly, in an actual electric wheelchair, when the turning operation was performed in a state where the manual wheels were lifted, the turning operation could be performed around the midpoint between the casters as the front wheels.

第1の実施形態〜第5の実施形態の電動車いすにおいては、手動用の車輪13の回転軸線P上に駆動輪21の旋回軸心Rがない(式(1)または式(5)において、xまたはxは0でない。)ため、特に加速時における電動車いすの優れた姿勢安定性を得ることができる。具体的には、例えば従来の後輪駆動タイプの簡易電動車いすにあっては、大きな加速度で加速したりする場合に、車いすのフレームに前輪が浮き上がるいわゆるウイリーの状態になることが考えられるが、第1の実施形態〜第5の実施形態の電動車いすではそのような動作を起こしにくくなる。すなわち、図14の電動車いす100eにあっては、駆動輪21よりも後方に手動用の車輪13があるため、加速時に前輪14が浮き上がるときには駆動輪21も浮き上がるため、加速できなくなり、結果としてウイリーの状態になることを防止することができる。また、図3,4,8,16のように駆動輪21の旋回軸心Rが手動用の車輪13の回転軸線Pよりも後方にある電動車いす100,100b,100c,100eにあっては、駆動輪21が前輪14の浮き上がりを防止することができる。したがって、第1の実施形態〜第5の実施形態の電動車いすは、加速時における優れた姿勢安定性を得ることができ、高い加速度性能を得ることで機敏な動作も可能となる。 In the electric wheelchair of the first embodiment to the fifth embodiment, there is no turning axis R of the drive wheel 21 on the rotation axis P of the manual wheel 13 (in Formula (1) or Formula (5), x or x 2 is not zero.) Therefore, it is possible to obtain an excellent attitude stability of the electric wheelchair in particular during acceleration. Specifically, for example, in a conventional rear wheel drive type simple electric wheelchair, when accelerating with a large acceleration, it is considered that the state of the wheelchair floats on the wheelchair frame, In the electric wheelchair of the first embodiment to the fifth embodiment, it is difficult to cause such an operation. That is, in the electric wheelchair 100e of FIG. 14, since the manual wheel 13 is behind the driving wheel 21, the driving wheel 21 is also lifted when the front wheel 14 is lifted during acceleration. Can be prevented. Further, as shown in FIGS. 3, 4, 8, and 16, in the electric wheelchairs 100, 100b, 100c, 100e in which the turning axis R of the drive wheel 21 is behind the rotation axis P of the manual wheel 13, The drive wheel 21 can prevent the front wheel 14 from being lifted. Therefore, the electric wheelchairs according to the first to fifth embodiments can obtain excellent posture stability during acceleration, and agile operation is also possible by obtaining high acceleration performance.

図10は、実施例1に係る電動車いす試作機100dの外観を示す写真である。   FIG. 10 is a photograph showing the appearance of the electric wheelchair prototype 100d according to the first embodiment.

第1の実施形態に係る電動車いす100の試作機100dを試作して、走行実験を行った。   A prototype 100d of the electric wheelchair 100 according to the first embodiment was prototyped and a running experiment was performed.

手動車いす1としてOXエンジニアリング社製の「NEO」をベースとし、電動化ユニット2(アクティブキャスタ)を手動車いす1の後方、駆動輪21がX軸上に配置されるように取りつけ、簡易電動車いすの試作機100dを作成した。試作機100dでの電動化ユニット2の取り付け位置は、旋回軸心Rが(x、y)=(−0.3,0)[m]とした。   The manual wheelchair 1 is based on “NEO” manufactured by OX Engineering, and the motorized unit 2 (active caster) is mounted behind the manual wheelchair 1 so that the drive wheels 21 are arranged on the X-axis. A prototype 100d was created. As for the mounting position of the electrification unit 2 in the prototype 100d, the pivot axis R is (x, y) = (− 0.3, 0) [m].

操作部はジョイスティックにより行われ、ジョイスティックの直進速度Vの指令値と旋回速度Ωの指令値が電圧値として制御部としてのパソコンに取り込まれ、駆動輪の向きに応じてサーボモータからなる第1の電気モータ及び第2の電気モータを制御した。駆動輪の方向の検出には、アブソリュートエンコーダを用いており、初期化などの動作は不要である。   The operation unit is operated by a joystick, and the command value of the straight speed V of the joystick and the command value of the turning speed Ω are taken in as a voltage value to a personal computer as a control unit, and a first servo motor is formed according to the direction of the drive wheel. An electric motor and a second electric motor were controlled. An absolute encoder is used to detect the direction of the drive wheel, and operations such as initialization are not required.

走行実験では、直線走行とその場旋回走行について、それぞれの基本的な動作を実行するよう電動化ユニット2を制御し、要求された車いすの動作が実現できているかの検証を行った。直進走行では一定速度で直進走行を行う指令を与え、その場旋回動作では、一定角速度により旋回する指令を与え、それぞれの場合において、試作機100dの運動を測定した。手動車いす1の左右車輪13の回転運動は、ポテンショメータにより測定した。さらに、それぞれの走行において電動化ユニット2の状態を知るために、電動化ユニット2の第1の角速度ω(駆動輪軸における角速度)、第2の角速度ω(旋回軸角における角速度)をエンコーダにより測定した。 In the running experiment, the motorized unit 2 was controlled so as to execute the basic operations for straight running and on-the-spot turning, and it was verified whether the required wheelchair operation could be realized. In the straight traveling, a command to perform straight traveling at a constant speed was given, and in the in-situ turning operation, a command to turn at a constant angular velocity was given, and in each case, the motion of the prototype 100d was measured. The rotational movement of the left and right wheels 13 of the manual wheelchair 1 was measured with a potentiometer. Further, in order to know the state of the electrification unit 2 in each run, the first angular velocity ω w (angular velocity at the drive wheel shaft) and the second angular velocity ω s (angular velocity at the turning shaft angle) of the electrification unit 2 are encoded. It was measured by.

(1)直進運動試験
図11は、実施例1に係る電動車いすの試作機100dの直進動作試験測定結果である。ここで、車いす座標系におけるX軸(前記車いすの直進方向)に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度φ(アクティブキャスタの操舵角)、試作機100dの直進方向の変位Xおよび姿勢角θを示した。
(1) Straight running test FIG. 11 shows the results of a straight running test of the electric wheelchair prototype 100d according to the first embodiment. Here, the angle φ (steering angle of the active caster) formed by the traveling direction of the driving wheel with respect to the X axis (the straight traveling direction of the wheelchair) in the wheelchair coordinate system, the displacement X and the posture angle θ of the prototype 100d in the straight traveling direction are shown. It was.

初期状態においては、操舵角φはほぼ180°、つまり後ろ向きである。この状態から、即座に車いす前方への動作を開始し、直進動作の途中で駆動輪の向きが裏返り、進行方向に向くよう動作していることが確認できる。キャスタの裏返り動作中においても、直進方向の変位xのみが直線的に増加し、良好な直進動が実現できていることがわかった。   In the initial state, the steering angle φ is approximately 180 °, that is, backward. From this state, it can be confirmed that the operation immediately forward of the wheelchair is started and the direction of the driving wheel is turned over in the course of the straight traveling operation and is operating in the traveling direction. Even during the turning over of the caster, only the displacement x in the straight direction increased linearly, and it was found that good straight movement could be realized.

(2)旋回運動試験
図12は、実施例1に係る電動車いすの試作機100dの旋回動作試験測定結果である。
(2) Turning motion test FIG. 12 shows the results of the turning motion test of the electric wheelchair prototype 100d according to the first embodiment.

前記(1)の直進試験と同様の試験条件にて、旋回動作試験を行った。この場合においても、旋回動作の途中でキャスタの裏返り動作が発生するような初期条件を設定した。車いすの姿勢角θが大きく変化しているにもかかわらず、直進方向の変位Xはほぼ0に維持されており、良好な旋回動作が実現できていることが確認できた。   A turning motion test was performed under the same test conditions as the straight running test of (1). Even in this case, initial conditions were set such that the caster flipping operation occurred during the turning operation. Although the wheelchair posture angle θ has greatly changed, the displacement X in the straight-ahead direction is maintained at almost 0, and it has been confirmed that a favorable turning operation has been realized.

1、1e 手動車いす、2 電動化ユニット、12 フレーム、12a 車輪支持フレーム、12b 座部支持フレーム、12c 肘掛け支持フレーム、12d 背もたれ部支
持フレーム、12e 下部フレーム、13 車輪、14 キャスタ、16a 座部、16b 背もたれ部、21 駆動輪、22 車軸、23 脚部、24 減速機、25 第1の電気モータ、26 エンコーダ、27 本体部、28 軸受け、29 歯車、31 歯車、32 第2の電気モータ、34 エンコーダ、40、41、42、43、44 歯車、100、100a、100b、100c、100d、100e 電動車いす、220、220b、220c、220d フレーム、230 操作部、240 制御部、242 入力部、244 計算部、246 出力部、O、O’ 原点、P 車輪軸心、P’回転軸心線、Q 駆動軸心、R 旋回軸心、r 離間距離、s 半径、φはX軸に対する駆動輪の角度、ω 第1の角速度、ω 第2の角速度、V 直進速度、Ω 旋回速度
1, 1e Manual wheelchair, 2 Motorized unit, 12 frame, 12a Wheel support frame, 12b Seat support frame, 12c Armrest support frame, 12d Back support frame, 12e Lower frame, 13 wheels, 14 casters, 16a Seat, 16b Backrest part, 21 Drive wheel, 22 Axle, 23 Leg part, 24 Reducer, 25 First electric motor, 26 Encoder, 27 Body part, 28 Bearing, 29 Gear, 31 Gear, 32 Second electric motor, 34 Encoder, 40, 41, 42, 43, 44 Gear, 100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100e Electric wheelchair, 220, 220b, 220c, 220d Frame, 230 operation unit, 240 control unit, 242 input unit, 244 calculation Part, 246 output part, O, O 'origin, P wheel axis, P' rotation Cord, Q drive axis, R swivel axis, r the distance, s radius, phi is the angle of the driving wheel with respect to the X-axis, omega w first angular velocity, omega s second angular velocity, V rectilinear velocity, Omega turning speed

Claims (6)

同一回転軸心線上に配置された2つの車輪を少なくとも有する手動車両に取り付け可能な本体部と、
前記本体部に対して旋回軸心の周りに回転可能に取り付けられた脚部と、
前記旋回軸心に対して所定の離間距離を隔てて配置された駆動軸心を有し、前記脚部に対し該駆動軸心の周りに回転自在に取り付けられた駆動輪と、
前記駆動輪を前記脚部に対して回転させる第1の電気モータと、
前記脚部を前記本体部に対して回転させる第2の電気モータと、
前記手動車両の走行を操作する操作部と、
前記操作部の操作によって出力された信号に基づいて前記第1の電気モータと前記第2の電気モータとを駆動させる制御部と、
を有し、
前記制御部は、電動化ユニットを前記手動車両に取り付けた際に、前記操作部から出力された信号を前記手動車両の直進速度Vの指令値及び旋回速度Ωの指令値として入力し、下記式(1)に基づいて前記駆動輪の前記駆動軸心における第1の角速度ω及び前記脚部の前記旋回軸心における第2の角速度ωを算出し、前記第1の角速度ωを出力して前記第1の電気モータを駆動し、前記第2の角速度ωを出力して前記第2の電気モータを駆動することを特徴とする、手動車両の電動化ユニット。
(ここで、rは前記駆動輪の半径、sは前記離間距離である。また、2つの前記車輪の回転軸心線をY軸、該Y軸上の2つの前記車輪間の中点を原点として該Y軸に垂直な仮想直線をX軸とした手動車両座標系を水平面内に設定したとき、φはX軸(前記手動車両の直進方向)に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度、x、yは手動車両座標系における前記旋回軸心の位置であり、xは0でない。)
A body portion attachable to a manual vehicle having at least two wheels arranged on the same rotational axis;
A leg portion rotatably attached to the main body portion around a pivot axis;
A drive wheel having a drive shaft disposed at a predetermined distance from the pivot shaft, and being rotatably attached to the leg portion around the drive shaft;
A first electric motor that rotates the drive wheel relative to the leg;
A second electric motor that rotates the leg with respect to the main body;
An operation unit for operating the traveling of the manual vehicle;
A control unit that drives the first electric motor and the second electric motor based on a signal output by an operation of the operation unit;
Have
When the motorized unit is attached to the manual vehicle, the control unit inputs a signal output from the operation unit as a command value for the straight traveling speed V and a command value for the turning speed Ω of the manual vehicle. Based on (1), a first angular velocity ω w at the drive axis of the drive wheel and a second angular velocity ω s at the pivot axis of the leg are calculated, and the first angular velocity ω w is output. and by driving the first electric motor, the second by outputting the angular velocity omega s and drives the second electric motor, motorized units for manual vehicle.
(Where r is the radius of the drive wheel and s is the separation distance. The rotation axis of the two wheels is the Y axis, and the midpoint between the two wheels on the Y axis is the origin. When a manual vehicle coordinate system having an imaginary straight line perpendicular to the Y axis as the X axis is set in the horizontal plane, φ is an angle formed by the traveling direction of the drive wheel with respect to the X axis (straight direction of the manual vehicle), x , Y is the position of the turning axis in the manual vehicle coordinate system, and x is not 0.)
電気モータによって駆動輪を駆動軸心の周りに回転することで移動し、かつ、電気モータによって該駆動輪を旋回軸心の周りに回転することで該駆動輪の移動方向を変更する電動化ユニットを同一回転軸心線上に配置された2つの車輪を少なくとも有する手動車両に取り付けた際に、
前記手動車両の直進速度Vの指令値及び旋回速度Ωの指令値から、下記式(1)に基づいて前記駆動軸心における第1の角速度ω及び前記旋回軸心における第2の角速度ωを算出し、
前記駆動輪を前記第1の角速度ωで前記駆動軸心の周りに回転し、
前記駆動輪を前記第2の角速度ωで前記旋回軸心の周りに回転することを特徴とする、手動車両の電動化ユニットの制御方法。
(ここで、rは前記駆動輪の半径、sは前記旋回軸心と前記駆動軸心の離間距離である。また、2つの前記車輪の回転軸心線をY軸、該Y軸上の2つの前記車輪間の中点を原点として該Y軸に垂直な仮想直線をX軸とした手動車両座標系を水平面内に設定したとき、φはX軸(前記手動車両の直進方向)に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度、x、yは手動車両座標系における前記旋回軸心の位置であり、xは0でない。)
An electrification unit that moves by rotating the drive wheel around a drive axis by an electric motor and changes the direction of movement of the drive wheel by rotating the drive wheel around a turning axis by an electric motor Is attached to a manual vehicle having at least two wheels arranged on the same rotational axis.
From the command value of the straight speed V of the manual vehicle and the command value of the turning speed Ω, the first angular speed ω w in the drive axis and the second angular speed ω s in the turning axis based on the following equation (1). To calculate
Rotating said drive wheel about the drive axis in the first angular velocity omega w,
A method for controlling a motorized unit of a manual vehicle, characterized in that the drive wheel is rotated around the turning axis at the second angular velocity ω s .
(Where r is the radius of the drive wheel, s is the separation distance between the pivot axis and the drive axis. Also, the rotation axis of the two wheels is the Y axis, and 2 on the Y axis. When a manual vehicle coordinate system with the midpoint between the two wheels as the origin and an imaginary straight line perpendicular to the Y axis as the X axis is set in the horizontal plane, φ is the drive with respect to the X axis (straight direction of the manual vehicle) (An angle formed by the traveling direction of the wheel, x, y is the position of the turning axis in the manual vehicle coordinate system, and x is not 0.)
座部と、
前記座部を固定するフレームと、
前記座部を挟んで前記フレームに同一回転軸心線上で回転自在に取り付けられた2つの手動用の車輪と、
前記フレームに取り付けられた本体部と、
前記本体部に対して旋回軸心の周りに回転可能な脚部と、
前記旋回軸心に対して所定の離間距離を隔てて配置された駆動軸心を有し、前記脚部に対し該駆動軸心の周りに回転自在に配置された駆動輪と、
前記駆動輪を前記脚部に対して回転させる第1の電気モータと、
前記脚部を前記本体部に対して回転させる第2の電気モータと、
走行を操作する操作部と、
前記操作部の操作によって出力された信号に基づいて前記第1の電気モータと前記第2の電気モータとを駆動させる制御部と、
を有する電動車いすであって、
前記制御部は、前記操作部から出力された信号を前記電動車いすの直進速度Vの指令値及び旋回速度Ωの指令値として入力し、下記式(1)に基づいて前記駆動輪の前記駆動軸心における第1の角速度ω及び前記脚部の前記旋回軸心における第2の角速度ωを算出し、前記第1の角速度ωを出力して前記第1の電気モータを駆動して前記駆動輪を回転し、前記第2の角速度ωを出力して前記第2の電気モータを駆動して前記電動車いすの進行方向を変更することを特徴とする、電動車いす。
(ここで、rは前記駆動輪の半径、sは前記離間距離である。また、2つの前記手動用の車輪の回転軸心線をY軸、該Y軸上の2つの前記手動用の車輪間の中点を原点として該Y軸に垂直な仮想直線をX軸とした車いす座標系を水平面内に設定したとき、φはX軸(前記車いすの直進方向)に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度、x、yは車いす座標系における前記旋回軸心の位置であり、xは0でない。)
A seat,
A frame for fixing the seat;
Two manual wheels mounted on the frame so as to be rotatable on the same axis of rotation with the seat interposed therebetween;
A main body attached to the frame;
A leg that is rotatable about a pivot axis relative to the body;
A drive wheel having a drive shaft disposed at a predetermined separation distance with respect to the pivot shaft, and disposed so as to be rotatable around the drive shaft with respect to the leg portion;
A first electric motor that rotates the drive wheel relative to the leg;
A second electric motor that rotates the leg with respect to the main body;
An operation unit for operating the vehicle;
A control unit that drives the first electric motor and the second electric motor based on a signal output by an operation of the operation unit;
An electric wheelchair having
The control unit inputs the signal output from the operation unit as a command value for the straight traveling speed V and a command value for the turning speed Ω of the electric wheelchair, and based on the following formula (1), the drive shaft of the drive wheel The first angular velocity ω w at the center and the second angular velocity ω s at the pivot axis of the leg are calculated, the first angular velocity ω w is output to drive the first electric motor, and rotating the drive wheel, and changes the traveling direction of the electric wheelchair by outputting the second angular velocity omega s driving said second electric motor, electric wheelchair.
(Where r is the radius of the drive wheel and s is the separation distance. Also, the rotation axis of the two manual wheels is the Y axis, and the two manual wheels on the Y axis are When the wheelchair coordinate system is set in the horizontal plane with the midpoint between them as the origin and the imaginary straight line perpendicular to the Y-axis as the X-axis, φ is the direction of travel of the drive wheel with respect to the X-axis (The angle formed, x, y is the position of the pivot axis in the wheelchair coordinate system, and x is not 0.)
請求項3において、
前記フレームに支持される2つの従動輪と、
前記従動輪の旋回動作を拘束する拘束機構と、
前記フレームを前記本体部に対して相対的に移動させ、前記手動用の車輪を接地状態と非接地状態とに変更するアクチュエータと、
をさらに有し、
前記従動輪を前記電動車いすの直進方向に向け、かつ、2つの前記従動輪を同一回転軸心線上に位置した状態で、前記拘束機構を駆動して前記従動輪の旋回動作を拘束し、
前記アクチュエータを駆動して前記手動用の車輪を非接地状態として前記電動車いすの旋回中心を前記手動用の車輪間の中点から前記従動輪間の中点に変更すると共に、前記制御部は、前記操作部から出力された信号を前記従動輪間の中点における前記電動車いすの直進速度Vの指令値及び旋回速度Ωの指令値として入力し、前記式(1)を下記式(5)に切り替え、下記式(5)に基づいて前記電動車いすの進行方向を変更することを特徴とする、電動車いす。
(ここで、rは前記駆動輪の半径、sは前記離間距離である。また、2つの前記従動輪の回転軸心線をY軸、該Y軸上の2つの前記従動輪間の中点を原点として該Y軸に垂直な仮想直線をX軸とした第2の車いす座標系を水平面内に設定したとき、φはX軸(前記車いすの直進方向)に対する前記従動輪の進行方向のなす角度、x、yは車いす座標系における前記旋回軸心の位置であり、xは0でない。)
In claim 3,
Two driven wheels supported by the frame;
A restraining mechanism for restraining the turning motion of the driven wheel;
An actuator for moving the frame relative to the main body and changing the manual wheel between a grounded state and a non-grounded state;
Further comprising
Directing the driven wheel in the straight direction of the electric wheelchair, and in a state where the two driven wheels are positioned on the same rotational axis, the restraint mechanism is driven to restrain the turning operation of the driven wheel,
The actuator is driven to change the turning center of the electric wheelchair from the midpoint between the manual wheels to the midpoint between the driven wheels by setting the manual wheel to an ungrounded state, and the control unit includes: The signal output from the operation unit is input as a command value for the straight traveling speed V 2 and a command value for the turning speed Ω 2 of the electric wheelchair at the midpoint between the driven wheels, and the formula (1) is expressed by the following formula (5 ), And the traveling direction of the electric wheelchair is changed based on the following formula (5).
(Where r is the radius of the driving wheel and s is the separation distance. Also, the rotation axis of the two driven wheels is the Y 2 axis, and the two driven wheels on the Y 2 axis are when the second wheelchair coordinate system perpendicular imaginary straight line to the Y 2 -axis and the X 2 axis midpoint as the origin is set to the horizontal plane, the phi 2 the slave with respect to the X 2 axis (straight direction of the wheelchair) (An angle formed by the moving direction of the driving wheel, x 2 , y 2 is the position of the pivot axis in the wheelchair coordinate system, and x 2 is not 0.)
電気モータによって駆動輪を駆動軸心の周りに回転することで移動し、かつ、電気モータによって該駆動輪を旋回軸心の周りに回転することで該駆動輪の移動方向を変更する、同一回転軸心線上に2つの手動用の車輪を有する電動車いすの制御方法であって、
前記電動車いすの直進速度Vの指令値及び旋回速度Ωの指令値から、下記式(1)に基づいて前記駆動軸心における第1の角速度ω及び前記旋回軸心における第2の角速度ωを算出し、
前記駆動輪を前記第1の角速度ωで前記駆動軸心の周りに回転し、
前記駆動輪を前記第2の角速度ωで前記旋回軸心の周りに回転することを特徴とする、電動車いすの制御方法。
(ここで、rは前記駆動輪の半径、sは前記旋回軸心と前記駆動軸心の離間距離である。また、2つの前記手動用の車輪の回転軸心線をY軸、該Y軸上の2つの前記手動用の車輪間の中点を原点として該Y軸に垂直な仮想直線をX軸とした車いす座標系を水平面内に設定したとき、φはX軸(前記車いすの直進方向)に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度、x、yは車いす座標系における前記旋回軸心の位置であり、xは0でない。)
Rotating the drive wheel around the drive axis by the electric motor and moving the drive wheel around the turning axis by the electric motor to change the moving direction of the drive wheel A method for controlling an electric wheelchair having two manual wheels on an axis,
From the command value of the straight speed V of the electric wheelchair and the command value of the turning speed Ω, the first angular velocity ω w in the drive shaft center and the second angular speed ω s in the turning shaft center based on the following equation (1). To calculate
Rotating said drive wheel about the drive axis in the first angular velocity omega w,
A method for controlling an electric wheelchair, wherein the driving wheel is rotated around the turning axis at the second angular velocity ω s .
(Where r is the radius of the drive wheel, s is the distance between the pivot axis and the drive axis, and the Y axis is the rotational axis of the two manual wheels. When a wheelchair coordinate system is set in the horizontal plane with the midpoint between the above two manual wheels as the origin and an imaginary straight line perpendicular to the Y axis as the X axis, φ is the X axis (the straight direction of the wheelchair ), X and y are the positions of the pivot axis in the wheelchair coordinate system, and x is not 0.)
請求項5において、
前記電動車いすは、2つの従動輪と、前記従動輪の旋回動作を拘束する拘束機構と、前
記手動用の車輪を接地状態と非接地状態とに変更するアクチュエータと、をさらに有し、
前記従動輪を前記電動車いすの直進方向に向け、かつ、2つの前記従動輪を同一回転軸心線上に位置した状態で、前記拘束機構を駆動して前記従動輪の旋回動作を拘束し、
前記アクチュエータを駆動して前記手動用の車輪を非接地状態として前記電動車いすの旋回中心を前記手動用の車輪間の中点から前記従動輪間の中点に変更すると共に、前記従動輪間の中点における前記電動車いすの直進速度Vの指令値及び旋回速度Ωの指令値から、下記式(5)に基づいて前記電動車いすの進行方向を変更することを特徴とする、電動車いす。
(ここで、rは前記駆動輪の半径、sは前記離間距離である。また、2つの前記従動輪の回転軸心線をY軸、該Y軸上の2つの前記従動輪間の中点を原点として該Y軸に垂直な仮想直線をX軸とした第2の車いす座標系を水平面内に設定したとき、φはX軸(前記車いすの直進方向)に対する前記従動輪の進行方向のなす角度、x、yは車いす座標系における前記旋回軸心の位置であり、xは0でない。)
In claim 5,
The electric wheelchair further includes two driven wheels, a restraining mechanism that restrains the turning motion of the driven wheel, and an actuator that changes the manual wheel between a grounded state and a non-grounded state,
Directing the driven wheel in the straight direction of the electric wheelchair, and in a state where the two driven wheels are positioned on the same rotational axis, the restraint mechanism is driven to restrain the turning operation of the driven wheel,
The actuator is driven to change the turning center of the electric wheelchair from the midpoint between the manual wheels to the midpoint between the driven wheels while the manual wheels are ungrounded, and between the driven wheels. from the command value and the command value of the swing speed Omega 2 of the linear velocity V 2 of the electric wheelchair at the midpoint, and changes the traveling direction of the electric wheelchair in accordance with the following equation (5), an electric wheelchair.
(Where r is the radius of the driving wheel and s is the separation distance. Also, the rotation axis of the two driven wheels is the Y 2 axis, and the two driven wheels on the Y 2 axis are when the second wheelchair coordinate system perpendicular imaginary straight line to the Y 2 -axis and the X 2 axis midpoint as the origin is set to the horizontal plane, the phi 2 the slave with respect to the X 2 axis (straight direction of the wheelchair) (An angle formed by the moving direction of the driving wheel, x 2 , y 2 is the position of the pivot axis in the wheelchair coordinate system, and x 2 is not 0.)
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