CN103370039A - 步行辅助车 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种底面积较小、能对作为步行被辅助者的老年人、残疾人等的步行进行辅助、并能防止跌倒的步行辅助车。本发明所涉及的步行辅助车包括：一对车轮；一个或多个第一驱动部，该一个或多个第一驱动部对该一对车轮进行驱动；主体部，该主体部可使一对车轮进行旋转地对该一对车辆进行支承；以及扶手部，该扶手部设置成该主体部的一端能被手抓住。还包括：传感器部，该传感器部对主体部在俯仰方向的倾斜角的角度变化进行检测；以及第一控制部，该第一控制部基于来自传感器部的输出，对一个或多个第一驱动部的动作进行控制，以使主体部的角度变化为0（零）。

Description

步行辅助车

技术领域

本发明涉及能防止在俯仰（pitch）方向跌倒的步行辅助车。

背景技术

以往，作为辅助老年人、残疾人等的步行的装置，开发了许多步行辅助车。现有的步行辅助车为了避免老年人、残疾人等在步行中跌倒，较多利用四轮或八轮来构成，并通过包括装物袋（carrier bag）等来降低步行辅助车的重心，从而提高步行中的稳定感。

此外，为了辅助老年人、残疾人的步行，优选利用电动机等使车轮旋转。例如，专利文献1中公开了一种步行辅助装置，该步行辅助装置基于传感器所检测到的外力来推定步行被辅助者的移动状态，并基于步行被辅助者的移动状态来恰当地使步行辅助装置行走。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第2898969号公报

发明内容

发明所要解决的问题

专利文献1中揭示的步行辅助装置需要设置用于检测外力的传感器。因此，步行被辅助者为了使步行辅助车自己行走，需要始终有意识地施加一定的外力。而且，需要对设有传感器的部位施加外力，因此，对于作为步行被辅助者的老年人、残疾人等来说不易操作，从而产生问题。

此外，作为步行被辅助者的老年人、残疾人等相比健康人更容易跌倒。在现有的步行辅助车中，为了防止前轮或后轮的抬起，利用将主体部的重量加重到一定以上、以及在车轮之间确保一定以上的距离等方法来进行应对。因此，现有的步行辅助车具有一定以上的底面积，根据底面积大小的不同，还存在在携带到铁路等公共交通工具内时有可能受到限制这样的问题。

本发明是鉴于上述技术问题而完成的，其目的在于提供一种步行辅助车，该步行辅助车的底面积较小，能辅助作为步行被辅助者的老年人、残疾人等的步行，并防止跌倒。

解决技术问题所采用的技术方案

为了实现上述目的，本发明所涉及的步行辅助车包括：一对车轮；一个或多个第一驱动部，该一个或多个第一驱动部对该一对车轮进行驱动；主体部，该主体部可使所述一对车轮旋转地对所述一对车轮进行支承；以及扶手部，该扶手部被设置成该主体部的一端能被手抓住，所述步行辅助车的特征在于，包括：传感器部，该传感器部对所述主体部的俯仰方向的倾斜角的角度变化进行检测；以及第一控制部，该第一控制部基于该传感器部的输出，对所述一个或多个第一驱动部的动作进行控制，以使所述主体部的角度变化为0（零）。

上述结构中，基于对主体部在俯仰方向的倾斜角的角度变化进行检测的传感器部的输出，来对一个或多个第一驱动部的动作进行控制，以使主体部的角度变化为0（零）。由此，能将主体部在俯仰方向的倾斜角控制成收敛于能使主体部不跌倒并保持平衡的平衡角度，从而能稳定地辅助步行，而无需作为步行被辅助者的老年人、残疾人等特意有意识地施加外力。

此外，本发明所涉及的步行辅助车的所述传感器部优选为包含角速度传感器、倾斜传感器、角加速度传感器中的至少一种。

上述结构中，传感器部包含角速度传感器、倾斜传感器、角加速度传感器中的至少一种，因此，能可靠地检测出主体部在俯仰方向的倾斜角的角度变化。

此外，本发明所涉及的步行辅助车的所述主体部优选为具有一端与所述主体部相连结的支承部，并且该支承部可在俯仰方向旋转，该支承部在另一端包括能进行旋转的一个或一对辅助轮。

上述结构中，主体部具有一端与所述主体部相连结的支承部，并且该支承部能在俯仰方向旋转，在支承部的另一端包括能进行旋转的一个或一对辅助轮。由此，即使在作为步行被辅助者的老年人、残疾人等把体重施加到扶手部上的情况下，也能通过辅助轮来抑制主体部发生倾斜，从而能更安全地辅助步行。

此外，在本发明所涉及的步行辅助车中，优选为将所述扶手部设置成能在所述主体部的偏转方向上旋转。

上述结构中，扶手部能在主体部的偏转方向上进行旋转，因此，从作为步行被辅助者的老年人、残疾人等观察时，能对使辅助轮位于主体部的车轮与步行被辅助者之间、还是使主体部的车轮位于辅助轮与步行被辅助者之间进行选择。

此外，在本发明所涉及的步行辅助车中，优选为包括：第二驱动部，该第二驱动部使所述支承部的连结部、或者所述一个或一对辅助轮旋转；以及第二控制部，该第二控制部对该第二驱动部进行控制，该第二控制部接收对目标角度的指定以作为所述支承部与所述主体部之间构成的角度，基于所述传感器部的输出对所述第二驱动部的动作进行控制，以使所述支承部与所述主体部之间构成的角度变为所述目标角度。

上述结构中，接收对目标角度的指定以作为支承部与主体部之间构成的角度，并基于传感器部的输出对第二驱动部的动作进行控制，以使支承部与主体部之间构成的角度变为目标角度。由此，能进行控制以使包括一个或一对辅助轮的支承部与主体部之间构成的角度变为目标角度，从而能预防主体部的跌倒。

此外，在本发明所涉及的步行辅助车中，优选为所述第二驱动部设置在所述支承部的所述连结部上，所述第二控制部对所述传感器部的输出变化是否超过了规定的阈值进行判断，在判断为所述传感器部的输出变化超过了规定的阈值时，进行延迟控制以抑制所述支承部与所述主体部之间构成的角度的变化。

上述结构中，对传感器部的输出变化是否超过了规定的阈值进行判断，在判断为传感器部的输出变化超过了规定的阈值时，进行延迟控制以抑制支承部与主体部之间构成的角度的变化。由此，即使在突然施加有较大的外力而导致步行被辅助者要跌倒时，也能降低作为步行被辅助者的老年人、残疾人等跌倒的可能性，而不使主体部的动作发生较大变化。

此外，在本发明所涉及的步行辅助车中，优选为所述第二驱动部设置在所述支承部的所述连结部上，所述第二控制部对所述传感器部的输出变化或所述第二驱动部的编码器输出变化是否超过了规定的阈值进行判断，在判断为所述传感器部的输出变化或所述第二驱动部的编码器输出变化未超过规定的阈值时，不进行所述第二驱动部的控制。

上述结构中，对传感器部的输出变化或第二驱动部的编码器输出变化是否超过了规定的阈值进行判断，在判断为传感器部的输出变化或第二驱动部的编码器输出变化未超过规定的阈值时，不进行第二驱动部的控制。由此，辅助轮起到制动器的作用，能像拐杖那样支承步行被辅助者。

此外，在本发明所涉及的步行辅助车中，优选为具有：限制机构，该限制机构对所述支承部的旋转进行限制；以及检测单元，该检测单元检测使用者对所述扶手部有无输入，在该检测单元检测到使用者未对所述扶手部进行输入时，通过所述限制机构使所述支承部停止旋转。

上述结构中，具有：限制机构，该限制机构对支承部的旋转进行限制；以及检测单元，该检测单元检测使用者对扶手部有无输入。在检测到使用者未对所述扶手部进行输入时，通过限制机构使支承部停止旋转，并且在检测出使用者未接触扶手部的情况下，能利用支承部来维持步行辅助车的姿势，而不使支承部旋转，从而能抑制电力消耗。

此外，在本发明所涉及的步行辅助车中，优选为在所述检测单元判断为所述传感器部的输出变化未在一定时间以上时，检测出对所述扶手部无输入。

上述结构中，在判断为传感器部的输出变化未在一定时间以上时，检测出对扶手部无输入，从而能利用支承部来维持步行辅助车的姿势，而不使支承部旋转，由此能抑制电力消耗。

此外，在本发明所涉及的步行辅助车中，优选为所述检测单元是设置在所述扶手部上的接触传感器。

上述结构中，通过将设置在扶手部上的接触传感器用作为检测单元，从而能检测出使用者是否接触了扶手部。

此外，在本发明所涉及的步行辅助车中，优选为在通过所述限制机构使所述支承部停止旋转时，所述第一控制部不对所述第一驱动部进行控制。

上述结构中，在通过限制机构使支承部停止旋转时，通过不对第一驱动部进行控制，从而能仅通过支承部来维持步行辅助车的姿势，由此能降低第一驱动部的控制所需的电力消耗。

此外，在本发明所涉及的步行辅助车中，优选为还具有其它的限制机构，以在通过所述限制机构使所述支承部停止旋转时，使所述一对车轮中的至少一个车轮停止旋转。

上述结构中，还具有其它的限制机构，以在通过限制机构使支承部停止旋转时，使一对车轮中的至少一个车轮停止旋转，由此，通过对车轮进行强制锁定，能容易地利用支承部来维持主体部的姿势。

发明的效果

根据上述结构，基于对主体部在俯仰方向的倾斜角的角度变化进行检测的传感器部的输出，来对一个或多个第一驱动部的动作进行控制，以使主体部的角度变化为0（零）。由此，能将主体部在俯仰方向的倾斜角控制成收敛于能使主体部不跌倒并保持平衡的平衡角度，从而能稳定地辅助步行，而无需作为步行被辅助者的老年人、残疾人等特意有意识地施加外力。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式所涉及的步行辅助车的结构的立体图。

图2是说明俯仰方向、滚动方向及偏转方向的示意图。

图3是表示步行辅助车防止在俯仰方向跌倒的控制的一个示例的控制框图。

图4是从侧面观察步行辅助车的模型的示意图。

图5是表示本发明的实施方式所涉及的步行辅助车的控制基板的控制器所执行的俯仰方向的跌倒防止处理步骤的流程图。

图6是表示对本发明的实施方式所涉及的步行辅助车的辅助轮进行支承的支承部的动作控制的一个示例的控制框图。

图7是说明本发明的实施方式所涉及的步行辅助车的电动机所执行的辅助轮的动作控制的示意图。

图8是表示辅助轮位于主体部的一对车轮与步行被辅助者之间的情况的示意图。

图9是表示主体部的一对车轮位于辅助轮与步行被辅助者之间的情况的示意图。

图10是用于说明将本发明的实施方式所涉及的步行辅助车的扶手部安装到主体部上的安装方法的示意图。

图11是表示步行辅助车的控制基板的控制器所执行的、对辅助轮进行支承的支承部的俯仰方向的角度控制处理的步骤的流程图。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的实施方式所涉及的步行辅助车进行具体说明。

图1是表示本发明的实施方式所涉及的步行辅助车的结构的立体图。在本实施方式所涉及的步行辅助车1中，一对车轮2能旋转地支承在主体部3上，作为步行被辅助者的老年人、残疾人等抓住扶手部4进行步行，该扶手部4设置在主体部3的、一对车轮2得到支承的一侧的相反侧的一端上。

此处，先明确俯仰方向。图2是说明俯仰方向、滚动方向及偏转方向的示意图。如图2所示，在步行辅助车1在xy面上向x轴的（＋）方向前进或向x轴的（－）方向后退来进行移动时，绕y轴的旋转方向为俯仰方向。朝向y轴的（＋）方向逆时针旋转时，主体部3朝前方倾斜，朝向y轴的（＋）方向顺时针旋转时，主体部3朝后方倾斜。此外，绕x轴的旋转方向为滚动方向，是主体部3朝左右方向摆动时的旋转方向。而且，绕z轴的旋转方向为偏转方向，是使一对车轮2的朝向从x轴方向倾斜时的旋转方向。

如图1所示，在主体部3包括：俯仰用陀螺传感器（传感器部）5，该俯仰用陀螺传感器5用于检测俯仰方向的倾斜角度的角速度即俯仰角速度；俯仰用电动机（第一驱动部）6，该俯仰用电动机6与一对车轮2的旋转连动地使一对车轮2旋转；以及俯仰用编码器（俯仰用旋转传感器）61，该俯仰用编码器61用于检测俯仰用电动机6的旋转位置（角度）或旋转速度。俯仰用陀螺传感器5以将检测俯仰角速度的未图示的检测轴大致朝向左右方向的方式安装在主体部3上。此处，大致朝向左右方向是指相对于严密的左右方向，可以在上下有稍许的角度偏差。主体部3与一对车轮2通过可使一对车轮2自由旋转地对其支承的框架31进行连结，俯仰用电动机6的旋转通过主体部3所包括的传送带（未图示）传递到一对车轮2。另外，框架31是主体部3的一部分。此外，俯仰用陀螺传感器5只要能检测俯仰角速度即可，并不限于陀螺传感器。

此外，主体部3上具备对俯仰用电动机6的动作（旋转）进行控制的控制基板（第一控制部）32及电池33。在控制基板32上装载有对俯仰用电动机6进行旋转驱动的驱动器、A/D转换器、D/A转换器、计数器、控制器等。具体而言，控制器是微处理器、CPU、LSI等。步行辅助车1利用一对车轮2的旋转所带来的反作用转矩来进行控制以在俯仰方向取得平衡。图3是表示步行辅助车1防止在俯仰方向跌倒的控制的一个示例的控制框图。

如图3所示，在俯仰用计数器部41中，对俯仰用编码器61的输出脉冲信号的脉冲数进行计数。在前进/后退指示接受部42中，将一对车轮2的前进指示或后退指示作为旋转速度或旋转角度的脉冲信号来接收。在将前进指示或后退指示作为旋转角度的脉冲信号来接收时，在俯仰用旋转速度计算部43中，从前进指示或后退指示的脉冲信号的脉冲数减去由俯仰用计数器部41计数得到的脉冲数，并将相减后得到的脉冲数转换为旋转角度（偏差），然后进行微分来求出俯仰用电动机6的旋转速度。也可以具备用于去除噪声的LPF（低通滤波器）。

在目标俯仰角计算部44中，根据在俯仰用旋转速度计算部43中求出的俯仰用电动机6的旋转速度，对俯仰用电动机6的旋转速度乘上比例系数来求出目标俯仰角θ_rp，以使得当俯仰用电动机6在一对车轮2前进的方向旋转时，一对车轮2处于前进的方向，而当俯仰用电动机6在一对车轮2后退的方向旋转时，一对车轮2处于后退的方向。由此，能确保所指示的用于移动的旋转速度，并能对俯仰方向的倾斜进行修正。

另一方面，在俯仰用AD转换器部45中，将俯仰用陀螺传感器5的俯仰角速度输出进行AD转换并获取。在俯仰角速度计算部46中，对所获取的俯仰角速度输出乘上转换系数来计算出俯仰角速度ω_1p。

在俯仰倾斜角推定部47中，根据俯仰角速度ω_1p、后述的俯仰用转矩指令τ_2p，并根据包含主体部3和一对车轮2的系统的倾斜角方向（俯仰方向）的运动方程，导出后述的（式18）来进行计算，从而推定俯仰倾斜角。进一步通过串联添加一阶延迟要素，以用于使步行辅助车具有合适的推定速度并稳定环路，从而计算出俯仰倾斜角的推定值。具体而言，作为一阶延迟要素，例如对由（式18）推定得到的俯仰倾斜角串联添加1/（0.1S＋1），但并不限于此，可以添加使步行辅助车具有合适的推定速度的任意的一阶延迟要素。

在俯仰方向外部转矩推定部52中，对俯仰倾斜角的推定值乘上转换系数，计算出作用于主体部3的俯仰方向外部转矩的推定值，并生成与所计算出的俯仰方向外部转矩的推定值相当的俯仰用修正转矩τ_3p。

在目标俯仰角速度计算部48中，对目标俯仰角θ_rp减去俯仰倾斜角的推定值，从而得到俯仰角度偏差，并将所得到的俯仰角度偏差乘上比例增益，从而计算出目标俯仰角速度ω_2p。在俯仰用转矩指令生成部49中，对于目标俯仰角速度ω_2p与俯仰角速度ω_1p的偏差，例如通过PI控制来生成俯仰用转矩指令τ_0p。在俯仰用电动机转矩指令电压计算部50中，对俯仰用转矩指令τ_0p加上俯仰用修正转矩τ_3p从而得到俯仰用转矩指令τ_2p，对所得到的俯仰用转矩指令τ_2p乘上转换系数，从而计算出指令电压。最后，在俯仰用DA转换器部51中，对驱动器输出指令电压来控制俯仰用电动机6的动作。

此处，以下对推定俯仰倾斜角的计算式（式18）的推导方法进行说明。图4是从侧面观察步行辅助车1的模型的示意图。图4中仅示意表示了一对车轮2、主体部3、以及安装在主体部3上的俯仰用陀螺传感器5，图4中向左的箭头方向是前进方向，表示主体部3处于前倾的状态。首先，由拉格朗日方程式导出运动方程。主体部3与一对车轮2合计的总的动能T及势能U如下。

[数学式1]

${T=\frac{1}{2}{I}_{1p}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{1p}^2+\frac{1}{2}{I}_{2p}({\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{1p}+{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{2p})}^2$ …(式1)

U＝m₁l_Gpgcosθ_1p+m₂rg    …(式2)

其中，I_1p：主体部绕旋转中心O的惯性矩，θ_1p：主体部相对于垂直轴在俯仰方向的倾斜角度，I_2p：车轮绕旋转中心O的惯性矩，θ_2p：车轮相对于主体部的旋转角度，m₁：主体部质量，l_Gp：从旋转中心O到主体部重心位置的距离，g：重力加速度，r:车轮的半径，m₂：惯性转子质量。

利用一般的坐标和一般的速度得到的微分量如下。

[数学式2]

$\frac{\∂T}{\∂{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{1p}}={I_{1p}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{1p}+I}_{2p}({\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{1p}+{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{2p})$ …(式3)

$\frac{\∂T}{\∂{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{2p}}=I_{2p}({\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{1p}+{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{2p})$ …(式4)

$\frac{\∂T}{\∂{\mathrm{\θ}}_{1p}}=0$ …(式5)

$\frac{\∂T}{\∂{\mathrm{\θ}}_{2p}}=0$ …(式6)

$\frac{\∂U}{\∂{\mathrm{\θ}}_{1p}}=-m_1{l}_{\mathrm{Gp}}g\sin {\mathrm{\θ}}_{1p}$ …(式7)

$\frac{\∂U}{\∂{\mathrm{\θ}}_{2p}}=0$ …(式8)

将（式3）～（式8）代入拉格朗日方程式（式9）、（式10）。

[数学式3]

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\frac{\∂T}{{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{1p}}\right)-\frac{\∂T}{\∂{\mathrm{\θ}}_{1p}}+\frac{\∂U}{\∂{\mathrm{\θ}}_{1p}}={\mathrm{\τ}}_{1p}$ …(式9)

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\frac{\∂T}{{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{2p}}\right)-\frac{\∂T}{\∂{\mathrm{\θ}}_{2p}}+\frac{\∂U}{\∂{\mathrm{\θ}}_{2p}}={\mathrm{\τ}}_{2p}$ …(式10)

其中，τ_1p：作用于主体部的绕旋转中心O的转矩，τ_2p：作用于车轮的转矩。

其结果是，作为运动方程，得到以下的（式11）、（式12）。

[数学式4]

$I_{1p}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{1p}+I_{2p}({\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{1p}+{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{2p})-m_1{l}_{\mathrm{Gp}}g\sin {\mathrm{\θ}}_{1p}={\mathrm{\τ}}_{1p}$ …(式11)

$I_{2p}({\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{1p}+{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{2p})={\mathrm{\τ}}_{2p}$ …(式12)

将（式12）进行变形而得到（式13）。

[数学式5]

${\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{2p}=\frac{{\mathrm{\τ}}_{2p}}{I_{2p}}-{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{1p}$ …(式13)

若将（式13）代入（式11），并将sinθ_1p用θ_1p来近似，则得到（式14）。由（式14）可知，主体部3的运动与一对车轮2的旋转角度及角速度无关。

[数学式6]

$I_{1p}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{1p}-m_1{l}_{\mathrm{Gp}}g{\mathrm{\θ}}_{1p}={\mathrm{\τ}}_{1p}-{\mathrm{\τ}}_{2p}$ …(式14)

－俯仰倾斜角的推定－

俯仰倾斜角也可以通过对俯仰用陀螺传感器5的输出进行积分来求出，但并不限于此。例如，使用图4所示的模型的运动方程，根据俯仰角速度ω_1p和俯仰用转矩指令τ_2p来推定俯仰倾斜角。若将运动方程（式14）进行变形，则得到（式15）。

[数学式7]

${\mathrm{\θ}}_{1p}+\frac{{\mathrm{\τ}}_{1p}}{m_1{l}_{\mathrm{Gp}}g}=\frac{{\mathrm{\τ}}_{2p}+I_{1p}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{1p}}{m_1{l}_{\mathrm{Gp}}g}$ …(式15)

另一方面，俯仰角速度ω_1p由（式16）表示。

[数学式8]

${\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{1p}\≅{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{1p}$ …(式16)

此外，当主体部3因外力而在倾斜的方向（俯仰方向）上产生转矩τ_1p时，外观上的平衡倾斜角θ_0p如（式17）所示。

[数学式9]

${\mathrm{\θ}}_{0p}=-\frac{{\mathrm{\τ}}_{1p}}{m_1{l}_{\mathrm{Gp}}g}$ …(式17)

因此，通过由上述（式15）、（式16）、（式17）导出（式18）来进行计算，从而能推定外观上的平衡倾斜角θ_0p与当前的俯仰方向的倾斜角θ_1p的偏差角（俯仰倾斜角）。其中，为了使步行辅助车具有合适的推定速度并稳定环路，也可以预先串联添加一阶延迟要素。另外，（式18）是推定俯仰倾斜角的计算式的一个示例，有时推定俯仰倾斜角的计算式会因对象模型的不同而有所不同。

[数学式10]

${\widetilde{\mathrm{\θ}}}_{1p}\≡{\mathrm{\θ}}_{1p}-(-\frac{{\mathrm{\τ}}_{1p}}{m_1{l}_{\mathrm{Gp}}g})\≅\frac{{\mathrm{\τ}}_{2p}+I_{1p}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{1p}}{m_1{l}_{\mathrm{Gp}}g}$ …(式18)

其中，俯仰倾斜角推定值

通过根据俯仰角速度ω_1p、以及基于目标俯仰角θ_rp生成的俯仰用转矩指令τ_2p，来推定主体部3从平衡状态向俯仰方向倾斜的角度即俯仰倾斜角，从而能高精度地推定俯仰倾斜角。此外，无需对俯仰用陀螺传感器5的俯仰角速度输出进行积分，因此，能利用由一对车轮2的旋转所带来的反作用转矩来高精度地修正从平衡状态向俯仰方向的倾斜，从而防止在俯仰方向跌倒，而不会产生因噪声、偏移等的累加所引起的目标俯仰角的计算误差。

―俯仰方向外部转矩前馈―

通过使用（式18）推定出的偏差角（俯仰倾斜角推定值）来补偿俯仰方向外部转矩。俯仰方向外部转矩推定值能使用由（式18）所推定出的偏差角（俯仰倾斜角推定值）并通过（式19）来表示。

[数学式11]

${\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{2p}=m_1{l}_{\mathrm{Gp}}g{\widetilde{\mathrm{\θ}}}_{1p}$ …(式19)

其中，

俯仰方向外部转矩推定值

若将作用于车轮的转矩τ_2p减去俯仰方向外部转矩推定值后得到的转矩设为俯仰方向内部转矩，则由（式20）来表示。

[数学式12]

${\mathrm{\τ}}_{2p}={\widehat{\mathrm{\τ}}}_{2p}+{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{2p}$ …(式20)

其中，俯仰方向内部转矩

通过使用（式14）、（式18）、（式19）、及（式20），能将运动方程（式14）变形为（式21），因此，能补偿俯仰方向外部转矩。通过对主体部3从平衡状态向俯仰方向倾斜的角度即俯仰倾斜角进行推定的（式18），能推定从平衡状态向俯仰方向的倾斜所产生的俯仰方向外部转矩，因此，能计算出与所推定的俯仰方向外部转矩相当的俯仰用修正转矩。因此，将俯仰方向外部转矩引起的影响考虑在内，能更恰当地控制俯仰用电动机6的旋转，由此，能更高精度地修正从平衡状态向俯仰方向的倾斜，从而防止向俯仰方向的跌倒。尤其是，即使在倾斜角环路、倾斜角速度环路的响应频率较低的情况下，也能通过利用前馈控制对俯仰方向外部转矩进行补偿，从而继续进行俯仰方向的跌倒防止控制，因此能进行稳定的控制。

[数学式13]

$I_{1p}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{1p}=-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{2p}$ …(式21)

经修正后的俯仰用转矩指令经由俯仰用DA转换器部51被输出到驱动器来对俯仰用电动机6的旋转进行控制。俯仰用电动机6的旋转传递到一对车轮2。

接下来，基于流程图对由上述图3所示的控制模块所构成的步行辅助车1的动作控制进行说明。图5是表示本发明的实施方式所涉及的步行辅助车1的控制基板32的控制器所执行的俯仰方向的跌倒防止处理步骤的流程图。

如图5所示，控制基板32的控制器对检测俯仰用电动机6的旋转位置（角度）或旋转速度的俯仰用编码器61的输出（脉冲信号）的脉冲数进行计数（步骤S501）。控制器将一对车轮2的前进（或后退）指示作为旋转速度的脉冲信号来接收（步骤S502）。

控制器基于从前进（或后退）指示的脉冲信号的脉冲数中减去俯仰用编码器61的输出（脉冲信号）的脉冲数后得到的脉冲数、来计算出俯仰方向的旋转速度偏差（步骤S503）。具体而言，将相减后得到的脉冲数转换为旋转角度，然后，进行微分来求出旋转速度偏差。控制器基于俯仰方向的旋转速度偏差计算出作为目标的俯仰方向的倾斜角度即目标俯仰角（步骤S504）。

控制器通过从所计算出的目标俯仰角中减去在后述的步骤S512中所推定出的俯仰倾斜角的推定值，来计算出俯仰角度偏差（步骤S505），并对所计算出的俯仰角度偏差乘上比例增益来计算出目标俯仰角速度ω_2p（步骤S506）。

控制器对所计算出的目标俯仰角速度ω_2p与在后述的步骤S511中计算出的俯仰角速度ω_1p的俯仰角速度偏差进行计算（步骤S507），并利用PI控制等对所计算出的俯仰角速度偏差生成俯仰用转矩指令τ_0p（步骤S508）。

控制器利用在后述的步骤S513中推定出的俯仰方向外部转矩τ_3p对所生成的俯仰用转矩指令τ_0p进行修正，并生成俯仰用转矩指令τ_2p（步骤S509）。

控制器对俯仰用陀螺传感器5所输出的俯仰角速度的输出进行A/D转换并获取（步骤S510）。控制器对所获取到的俯仰角速度的输出乘上转换系数，从而计算出俯仰角速度ω_1p（步骤S511）。

控制器根据所计算出的俯仰角速度ω_1p、以及在上述步骤S509中所生成的俯仰用转矩指令τ_2p并使用（式18）来推定出主体部3从平衡状态向俯仰方向倾斜的角度即俯仰倾斜角（步骤S512）。控制器基于所推定出的俯仰倾斜角来推定因从平衡状态向俯仰方向的倾斜而产生的俯仰方向外部转矩（步骤S513）。

控制器判断在步骤S509中是否生成了俯仰用转矩指令τ_2p（步骤S514）。

在控制器判断为生成了俯仰用转矩指令τ_2p的情况下（步骤S514：是），控制器对所生成的俯仰用转矩指令τ_2p乘上转换系数来计算出指令电压（步骤S515）。控制器将计算出的指令电压进行D/A转换，并输出到对俯仰用电动机6进行旋转驱动的驱动器（步骤S516）。控制器将处理返回至步骤S501及步骤S510，并重复上述处理。

另一方面，在控制器判断为未生成俯仰用转矩指令τ_2p的情况下（步骤S514：否），主体部3处于平衡状态、且没有前进/后退指示的状态，控制器结束处理。上述的示例示出了将前进指示或后退指示作为旋转角度的脉冲信号进行接收时的处理步骤，但即使在接收了旋转速度的脉冲信号以作为前进指示或后退指示的情况下，通过求出俯仰角速度的偏差，也能以同样的处理步骤来控制俯仰方向的倾斜角度。

返回图1，本实施方式所涉及的步行辅助车1优选为包括辅助轮8，以提高作为步行被辅助者的老年人、残疾人等在步行中的稳定感。辅助轮8在支承部7的另一端可旋转地进行支承，该支承部7的一端可在俯仰方向进行旋转地与主体部3相连结。如图1所示，可以是一个辅助轮8，为了提高滚动方向的稳定度，也可以是一对辅助轮8。

支承部7的旋转中心即支点10的位置只要在主体部3内即可，没有特别的限定。这是由于，只要能防止主体部3跌倒即可。

此外，也可以将使支承部7的连结部或辅助轮8旋转的电动机（第二驱动部）9设置在支承部7的连结部上。在此情况下，控制基板32起到第二控制部的作用。例如，控制器预先接受对目标角度θref的指定以作为支承部7与主体部3之间构成的角度，并对电动机9的动作进行控制以使支承部7与主体部3之间构成的角度θ成为目标角度θref。支承部7与主体部3之间构成的角度θ根据内置于电动机9的支承部角度编码器91所输出的脉冲信号来计算得出。

图6是表示对本发明的实施方式所涉及的步行辅助车1的辅助轮8进行支承的支承部7的动作控制的一个示例的控制框图。如图6所示，在辅助轮目标角度接收部601中，接收对辅助轮8进行支承的支承部7与主体部3之间构成的角度θ为目标角度θref的指定。

此外，俯仰倾斜角推定部602通过对俯仰用陀螺传感器5所输出的俯仰角速度dφ/dt进行积分来推定俯仰倾斜角φ。而且，目标角度变化推定部603基于所推定的俯仰倾斜角φ来推定对辅助轮8进行支承的支承部7的目标角度变化dθ。具体而言，使用（式22）计算出目标角度θref的角度变化dθ。

[数学式14]

在（式22）中，φ₀表示俯仰倾斜角的平衡角度，φ表示由俯仰倾斜角推定部602推定出的俯仰倾斜角。此外，θref是由辅助轮目标角度接收部601接收了指定的支承部7的目标角度。

支承部7与主体部3之间构成的角度θ作为目标角度θref与目标角度变化dθ之和计算得出，转矩指令生成部604例如通过PID控制对利用支承部角度编码器91的输出（脉冲信号）计算出的角度θ、以及所计算出的目标角度（θref＋dθ）的偏差生成转矩指令τ。对所生成的转矩指令τ乘上转换系数来计算出指令电压，并利用DA转换器等将指令电压输出到驱动器来对电动机9的动作进行控制。

图7是对本发明的实施方式所涉及的步行辅助车1的电动机9所执行的辅助轮8的动作控制进行说明的示意图。图7（a）表示对步行辅助车1未施加有外力（静止）时的状态，图7（b）表示施加有外力时的状态。

如图7（a）所示，在未施加有外力的情况下，通过图5所示的处理，对俯仰用电动机6的动作进行控制，以使主体部3的俯仰倾斜角φ在平衡角度φ₀处收敛。在主体部3倾斜得大于平衡角度φ₀的情况下，主体部3通过俯仰用电动机6的动作使俯仰倾斜角φ回到平衡角度φ₀，因此，主体部3以平衡角度φ₀为中心反复摆动。而且，通过对电动机9的动作进行控制，以使对辅助轮8进行支承的支承部7的角度θ变为目标角度θref，从而能抑制俯仰用电动机6引起的主体部3的摆动。此时，根据主体部3在俯仰方向的倾斜角度的变化来改变对辅助轮8进行支承的支承部7的目标角度，从而控制成使支承部7对主体部3进行支承的力的比例保持一定，以使来自支承部7的对于主体部3的反作用力不会阻碍俯仰用电动机6的动作控制。

另一方面，如图7（b）所示，在突然施加有较大外力的情况下，主体部3的俯仰倾斜角φ发生较大变化。控制基板32的控制器对俯仰倾斜角φ是否超过规定的阈值进行判断，例如对俯仰倾斜角φ是否超过25度进行判断，当判断为俯仰倾斜角φ超过了规定的阈值时，增大控制方程的时间常数，以增大电动机9的动作的延迟时间（延迟控制）。由此，能延迟对于所施加的外力的响应，并能使动作得到缓和。因此，即使在步行被辅助者突然要跌倒时等、突然施加有较大的外力的情况下，也能通过缓慢地使主体部3的倾斜返回到原状，从而降低作为步行被辅助者的老年人、残疾人等跌倒的可能性，而不使主体部3的动作发生较大变化。

作为步行被辅助者发生跌倒的模式，设想为步行时“朝前进方向的跌倒”、及“朝后退方向的跌倒”。而且，通过步行被辅助者与辅助轮8、主体部3的一对车轮2的相对位置关系，能改变是能防止“朝前进方向的跌倒”还是能防止“朝后退方向的跌倒”。

图8是表示辅助轮8位于主体部3的一对车轮2与步行被辅助者之间的情况的示意图。如图8（a）所示，在辅助轮8位于主体部3的一对车轮2与步行被辅助者80之间时，对于步行时的“朝后退方向的跌倒”，能容易地通过辅助轮8来防止跌倒。然而，如图8（b）所示，对于“朝前进方向的跌倒”，应当防止跌倒的辅助轮8翘起，可能无法防止跌倒。

图9是表示主体部3的一对车轮2位于辅助轮8与步行被辅助者80之间的情况的示意图。如图9（a）所示，在主体部3的一对车轮2位于辅助轮8与步行被辅助者80之间时，对于步行时的“朝前进方向的跌倒”，通过辅助轮8能更可靠地防止跌倒。也就是说，通过选择步行被辅助者80与辅助轮8、主体部3的一对车轮2的相对位置关系，从而能改变步行时是能防止“朝前进方向的跌倒”、还是能防止“朝后退方向的跌倒”。

改变步行被辅助者80与辅助轮8、主体部3的一对车轮2的相对位置关系的方法并没有特别的限定，例如，可以将扶手部4可旋转地设置在主体部3的一端上。图10是用于说明将本发明的实施方式所涉及的步行辅助车1的扶手部4安装到主体部3上的安装方法的示意图。

例如，如图10（a）或图10（b）所示，可以采用预先将主体部3与扶手部4分离，利用螺钉或销90等将扶手部4固定在主体部3上的结构。通过松开螺钉或销90，能将扶手部4朝主体部3的偏转方向旋转，通过在偏转方向上旋转180度，也就是将扶手部4的朝向改变180度，来改变步行被辅助者80与辅助轮8、主体部3的一对车轮2的相对位置关系。

此外，也可以如图10（c）所示那样，使用螺栓95旋转与主体部3分离的扶手部4的朝向来进行固定，也可以如图10（d）所示那样，预先在与主体部3分离的扶手部4的支柱部分设置能用手指压入的突起部40，并在主体部3的同一高度处设置多个在插入扶手部4的支柱部分时的突起部40用的孔部。一边压入突起部40，一边将扶手部4的支柱部分插入主体部3内，由此能利用孔部进行锁定。在旋转180度时，只要一边压入突起部40一边将扶手部4旋转180度，并利用孔部进行锁定即可。

另外，图10所示的扶手部4也能容易地调节高度。例如，对于图10（a）、（c），通过调节进行固定的位置的高度，能容易地改变高度，对于图10（d），通过设置高度不同的多个孔部，能容易地改变高度。此外，对于图10（b），如果预先采用能改变扶手部4的支柱部分的长度的结构，例如，预先采用支柱部分能进行滑动的结构，也能期待同样的效果。

此外，也可以取代使支承部7旋转的电动机9，在一个或一对辅助轮8上另设旋转电动机，以对辅助轮8的旋转进行限制即可。在此情况下，控制器对角度θ是否超过规定的阈值进行判断，例如对角度θ是否超过倾斜角度25度进行判断，在判断为角度θ超过了规定的阈值时，能对旋转电动机的动作进行控制，以对旋转电动机的旋转进行限制，使辅助轮8不进行旋转。由此，辅助轮8起到制动器的作用，也能像拐杖那样支承步行被辅助者80。

图11是表示步行辅助车1的控制基板32的控制器所执行的、对辅助轮8进行支承的支承部7的俯仰方向的角度控制处理的步骤的流程图。

如图11所示，控制基板32的控制器接收对目标角度θref的指定以作为对辅助轮8进行支承的支承部7与主体部3之间构成的角度（步骤S1101），并对俯仰用陀螺传感器5所输出的俯仰角速度进行A/D转换来获取（步骤S1102）。控制器对所获取到的俯仰角速度进行积分来推定俯仰倾斜角φ（步骤S1103），并使用（式22）计算出支承部7的目标角度θref的角度变化dθ（步骤S1104）。

控制器对支承部角度编码器91的输出（脉冲信号）的脉冲数进行计数（步骤S1105），获取根据支承部角度编码器91的输出（脉冲信号）所计算出的支承部7的角度θ、与支承部7的目标角度（θref＋dθ）的偏差（步骤S1106）。控制器使用支承部7的角度θ与支承部7的目标角度（θref＋dθ）的偏差来推定使支承部7在俯仰方向旋转的俯仰方向外部转矩（步骤S1107）。

控制器基于所推定的俯仰方向外部转矩来生成俯仰用转矩指令（步骤S1108），对所生成的俯仰用转矩指令乘上转换系数来计算出指令电压（步骤S1109）。控制器对所计算出的指令电压进行D/A转换，并输出到对电动机9进行旋转驱动的驱动器（步骤S1110）。控制器重复执行步骤S1101至步骤S1110的处理。

如上所述，根据本实施方式，对俯仰用电动机6的动作进行控制，以使主体部3的角度变化为0（零），从而能将主体部3在俯仰方向的倾斜角控制成收敛于使主体部3不跌倒而保持平衡的平衡角度，并且还能稳定地对步行进行辅助，而无需作为步行被辅助者80的老年人、残疾人等特意有意识地施加外力。此外，即使在作为步行被辅助者80的老年人、残疾人等把体重施加到扶手部4上的情况下，也能通过辅助轮8来抑制主体部3发生倾斜，从而能更安全地辅助步行。而且，即使在突然施加有较大的外力而使步行被辅助者80要跌倒时，也能降低作为步行被辅助者80的老年人、残疾人等跌倒的可能性,而无需使主体部3的动作发生较大变化。

此外，在实施本发明时，在考虑外出时的使用等的情况下，作为驱动源自然需要使用电池33。在作为驱动源使用电池33时，若始终对俯仰用电动机6、电动机9的动作进行控制，则电池33的消耗非常厉害，有可能无法长时间使用。

因此，例如，控制器在判断为俯仰倾斜角φ未超过规定的阈值时，不向电动机9、或对电动机9的动作进行控制的第二控制部供电（不进行第二驱动部（电动机9）的控制），从而能降低消耗电力。

而且，预先设置对支承部7的旋转进行限制的制动机构（限制机构）、以及检测使用者对扶手部4有无输入的检测单元，在判断为使用者对扶手部4的输入未在一定时间（例如10秒钟）以上时，不再使制动机构发挥作用，而是停止向电动机9、或对电动机9的动作进行控制的第二控制部供电（不进行第二驱动部（电动机9）的控制），从而能降低消耗电力。

此外，也可以不对俯仰用电动机6、或对俯仰用电动机6的动作进行控制的第一控制部供电。可以仅通过支承部7来维持步行辅助车的姿势，从而能够降低第一驱动部（俯仰用电动机6）的控制所需的电力消耗。

作为检测使用者对扶手部4有无输入的检测单元，既可以使用来自俯仰用陀螺传感器5的输出信号，也可以另外在扶手部4设置接触传感器，以检测使用者是否接触了扶手部4。

另外，当然地，上述实施方式能在不脱离本发明的思想的范围内进行变更。例如，并不限于将一个俯仰用电动机6设置在一对车轮2上，而可以是对每个车轮各设置一个俯仰用电动机。同样，制动机构（限制机构）也并不限于设置在支承部7的连结部上，既可以在一对车轮2上设置另一个限制机构，也可以在每个车轮2上各设置一个。此外，作为俯仰用陀螺传感器5，对使用角速度传感器的情况进行了说明，但可以是角加速度传感器、倾斜传感器等，也可以将这几个传感器进行组合。

标号说明

1  步行辅助车

2  车轮

3  主体部

4  扶手部

5  俯仰用陀螺传感器（传感器部）

6  俯仰用电动机（第一驱动部）

7  支承部

8  辅助轮

9  电动机（第二驱动部）

10  支点

31  框架

32  控制基板（第一控制部、第二控制部）

33  电池

61  俯仰用编码器

91  支承部角度编码器

Claims (12)

1.一种步行辅助车，包括：

一对车轮；

一个或多个第一驱动部，该一个或多个第一驱动部对该一对车轮进行驱动；

主体部，该主体部可使所述一对车轮进行旋转地对所述一对车轮进行支承；以及

扶手部，该扶手部设置成该主体部的一端能被手抓住，

该步行辅助车还包括：

传感器部，该传感器部对所述主体部在俯仰方向的倾斜角的角度变化进行检测；以及

第一控制部，该第一控制部基于该传感器部的输出，对所述一个或多个第一驱动部的动作进行控制，以使所述主体部的角度变化为0。

2.如权利要求1所述的步行辅助车，其特征在于，

所述传感器部包含角速度传感器、倾斜传感器、角加速度传感器中的至少一种。

3.如权利要求1或2所述的步行辅助车，其特征在于，

所述主体部具有一端与所述主体部相连结的支承部，并且该支承部能在俯仰方向旋转，

该支承部在另一端包括能进行旋转的一个或一对辅助轮。

4.如权利要求3所述的步行辅助车，其特征在于，

将所述扶手部设置成能在所述主体部的偏转方向上旋转。

5.如权利要求3或4所述的步行辅助车，其特征在于，包括：

第二驱动部，该第二驱动部使所述支承部的连结部、或者所述一个或一对辅助轮进行旋转；以及

第二控制部，该第二控制部对该第二驱动部进行控制，

该第二控制部接收对目标角度的指定以作为所述支承部与所述主体部之间构成的角度，

基于所述传感器部的输出对所述第二驱动部的动作进行控制，以使所述支承部与所述主体部之间构成的角度变为所述目标角度。

6.如权利要求4或5所述的步行辅助车，其特征在于，

所述第二驱动部设置在所述支承部的所述连结部上，

所述第二控制部对所述传感器部的输出变化是否超过了规定的阈值进行判断，在判断为所述传感器部的输出变化超过了规定的阈值时，进行延迟控制以抑制所述支承部与所述主体部之间构成的角度的变化。

7.如权利要求4或5所述的步行辅助车，其特征在于，

所述第二驱动部设置在所述支承部的所述连结部上，

所述第二控制部对所述传感器部的输出变化或所述第二驱动部的编码器输出变化是否超过了规定的阈值进行判断，在判断为所述传感器部的输出变化或所述第二驱动部的编码器输出变化未超过规定的阈值时，不进行所述第二驱动部的控制。

8.如权利要求3至7中任一项所述的步行辅助车，其特征在于，具有：

限制机构，该限制机构对所述支承部的旋转进行限制；以及

检测单元，该检测单元检测使用者对所述扶手部有无输入，

在该检测单元检测到使用者对所述扶手部无输入时，通过所述限制机构使所述支承部停止旋转。

9.如权利要求8所述的步行辅助车，其特征在于，

在所述检测单元判断为所述传感器部的输出变化未在一定时间以上时，检测出对所述扶手部无输入。

10.如权利要求8所述的步行辅助车，其特征在于，

所述检测单元是设置在所述扶手部上的接触传感器。

11.如权利要求8至10中任一项所述的步行辅助车，其特征在于，

在通过所述限制机构使所述支承部停止旋转时，所述第一控制部不对所述第一驱动部进行控制。

12.如权利要求8至11中任一项所述的步行辅助车，其特征在于，

还具有其它的限制机构，以在通过所述限制机构使所述支承部停止旋转时，使所述一对车轮中的至少一个车轮停止旋转。

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