JP2007195596A - 電動車椅子 - Google Patents

Abstract

【課題】方向自在式の前輪及び前後回転式の後輪を備えた４輪駆動可能な車椅子を必要により全方向移動式の車椅子に切換可能にする電動車椅子を提供する。
【解決手段】前後方向に対して直交方向へ回転する複数個のロータが周囲に配列されている方向自在式の前輪１Ｌ ，１Ｒと、昇降可能に設けられた前後回転式の後輪２Ｌ ，２Ｒと、これらの後輪に対して直交方向に沿った横向きに配置されて昇降可能に設けられた方向自在式の横転後輪２Ｔと、後輪２Ｌ ，２及び横転後輪２Ｔを選択的に下降接地させる車輪昇降用アクチュエータ３０と、後輪２Ｌ ，２Ｒが接地させられた状態で左側の前輪後輪１Ｌ ，２Ｌ及び右側の前後輪１Ｒ ，２Ｒを操舵指令信号に応答して差動回転式にモータで４輪駆動し、また横転後輪２Ｔが接地させられた状態で左側の前輪１Ｌ、右側の前輪１Ｒ及び横転後輪２Ｔを操舵指令信号に応答して差動回転式にモータで３輪駆動する車輪駆動制御手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、左右一対の方向自在式の前輪及び左右一対の前後回転式の後輪を備えた４輪駆動可能な電動車椅子に関するものである。

特許文献１により、車輪直進方向に対して直交方向に回転可能な円筒状ロータがハブの周囲のリムに配列された無旋回式の方向自在車輪もしくは全方向車輪が開示され、その４輪により横方向を含めて３６０°に移動し得る全方向移動車が実現される旨記載されている。また、特許文献２により、左右一対の方向自在式の前輪及び左右一対の前後回転式の後輪を備え、車輪操向に依ることなく差動回転式に操舵されるように左右それぞれで独立に回転駆動されると共に、前輪のロータが複数個の半紡錘形状であり、前輪及び後輪のトレッドが互いに同一に設定されている４輪駆動式電動車椅子が開示されている。この種のロータは、特許文献３により公知であり、半紡錘形状の先端部が、隣合う前記基端部に近接し得るように、この基端部に形成された凹部に部分的に侵入している。

特開平１１−２２７４０４号公報 特開２００４−３４４２８９号公報 特開２００２−１３７６０２号公報

特許文献１による左右の回転走行量の差により操舵を可能にする４輪駆動式移動車の場合、いずれかの車輪がスリップした際にロータの回転で進行方向が乱れたり、或は走行面が進行方向に対して横方向に傾斜している場合ロータが回転して下り側へ蛇行する所謂片流れ現象を伴う問題がある。また、このようなロータ付き車輪を用いると、特に屋外ではロータ間の隙間によりガタツキを生じ易く走破性については課題が残される。

一方、特許文献２による左右一対の前輪のみを方向自在式にした前後輪連動型の４輪駆動式電動車椅子によれば、進行方向の乱れたり或は片流れ現象が抑制され、また前後輪のトレッドが同一であることにより、操舵時に動力の伝達ロスが抑制され、さらに互いに近接し得る半紡錘形状のロータにより、隙間を無くして砂浜や悪路でもスムーズに走行できる。しかしながら、後輪を前後回転式のタイヤ輪にすると、屋外の走破性は確保されるとしても、反面では室内での操舵時に床面を傷め易く、小回りのきく操舵が難しくなる。

本発明は、屋外に較べて特に室内では全方向移動による小回りが効くのが好ましいことに鑑みて、方向自在式の前輪及び前後回転式の後輪を備えた４輪駆動可能な車椅子を必要により全方向移動式の車椅子に切換可能にする電動車椅子を提供することを目的とする。

本発明は、この目的を達成するために、請求項１により、フロアフレームの前後方向に対して直交方向へ回転する複数個のロータが周囲に配列されている左右一対の方向自在式の前輪と、フロアフレームに昇降可能に設けられた左右一対の前後回転式の後輪と、これらの後輪に対して直交方向に沿った横向きに配置されてフロアフレームに昇降可能に設けられた方向自在式の横転後輪と、フロアフレームに設けられて後輪及び横転後輪のいずれか一方を選択的に下降接地させる車輪昇降用アクチュエータと、後輪が接地させられた状態で左側の前輪後輪及び右側の前後輪を操舵指令信号に応答して差動回転式にモータで４輪駆動し、また横転後輪が接地させられた状態で左側の前輪、右側の前輪及び横転後輪を操舵指令信号に応答して差動回転式にモータで３輪駆動する車輪駆動制御手段とを備えたことを特徴とする。

４輪駆動時には、左側の前後輪及び右側の前後輪が、それぞれの側で回転方向及び回転走行速度を共通に車輪駆動制御手段により回転差動式に駆動制御されて操舵が行なわれる。前輪が方向自在式であることにより、車輪の非旋回状態で操舵される。左右の後輪が浮上して横転後輪が接地する３輪駆動時には、方向自在式の前輪と、直交方向へ移動する方向自在式の横転後輪とが回転差動式に操舵されることにより、車体、即ちフロアフレームが転向することなく、全方向に平行移動可能になると共に、互いに逆回転する左右の前輪と横転後輪との同一の回転走行速度によりスピン回転も行われる。

４輪の駆動制御の構成としは、請求項２により左側の前後輪及び右側の前後輪がそれぞれベルトを介して互いに連結され、それぞれの側の前後輪のいずれか一方にモータが付属するか、又は請求項３により一対の前輪及び一対の後輪のそれぞれにモータが付属する。接地輪を簡単に切換るには、請求項４により、フロアフレームが、着座部及び車輪昇降用アクチュエータが設けられた上側フロアフレームと、後輪が取付けられ、かつ上下に揺動可能に上側フロアフレームに支持された下側フロアフレームとを備え、上側フロアフレーム部分に、車輪昇降用アクチュエータにより昇降駆動されるように、横転後輪を支持する回動機構が枢着されると共に、この回動機構に、その下降回動により横転後輪が接地するのに連動して、下側フロアフレームを上方へ揺動させるフレーム駆動部を付設する。

請求項１の発明によれば、屋外では前輪のみロータ付車輪とした４輪駆動により走破性が確保されると共に、全方向輪の特性を生かして車輪を旋回させることなく操舵を行うことができる。また、特に室内では、横転後輪を接地させて３輪駆動することにより、直交方向への移動及び斜め方向への平行移動或はスピン回転を含めて、切返しなしであらゆる方向へ操舵可能になる。

請求項２の発明によれば、左右に１個づつのモータで連動式に４輪駆動でき、請求項３の発明によれば、３輪駆動時に後輪を停止させることができる。請求項４の発明によれば、上側フロアフレーム部分に枢着されて横転後輪を支持する回動機構をアクチュエータにより昇降駆動することにより、連動して後輪を浮上させることができる。

図１乃至図７を基に本発明の実施の形態による４/３輪切換式の電動車椅子を説明する。この電動車椅子は、着座部３が取付けられた上側フロアフレーム８と、ロータ１ａ付きの方向自在式の前輪１Ｌ ，１Ｒ及び通常の前後回転式であるタイヤ付きの後輪２Ｌ ，２Ｒが取付けられ、かつ中間位置でフレーム連結リンク１０（図２，３）を介して上側フロアフレーム８に連結される下側フロアフレーム９とで構成されるフロアフレームを備えると共に、一対の後輪２Ｌ ，２Ｒ間に、これらの後輪に対して直交方向に沿って横向きに配置されたロータ２ａ付きの方向自在式の横転後輪２Ｔを備え、上側フロアフレーム８に設けられた車輪昇降用アクチュエータ３０（図２，３）により、後輪２Ｌ ，２Ｒに代えて、横転後輪２Ｔが選択的に接地させるようになっている。前後輪のトレッドは互いに同一である。

前輪１Ｌ ，１Ｒは、全方向輪として、特許文献３に記載のように、中心部の車軸周辺のリムの周囲に、フロアフレーム８、９の前後方向もしくは車輪直進方向に対して直交方向へ回転する複数個の同一形状のロータ１ａを配列されている。また、各ロータは半紡錘形状に形成され、先端部が隣合うロータ１ａの基端部に形成された円錐面状の凹部に部分的に侵入して、隣合うロータ１ａの基端部に近接し得るようになっている。ロータ２ａ付き横転後輪２Ｔも同様な自在回転式である。

上側フロアフレーム８及び下側フロアフレーム９間の四方には、図２，３に示すように、コイルばね７ａと、オイルが充填されたシリンダ６の基端部が上側フロアフレーム８にピン６ｂで枢着され、シリンダ６から進退可能に突出するシリンダロッド６ａの先端部が下側フロアフレーム９にピン６ｃで枢着されたオイルダンパとより構成されたサスペンションばね７が介在している。フレーム連結リンク１０は、上側フロアフレーム８に下設されたフロア支持アーム１５と、下側フロアフレーム９に設けられたピン１１に基端部が枢着され、かつ先端部がフロア支持アーム１５の下端部にピン１４で枢着されたリンクアーム１２とで構成されている。これにより、上側フロアフレーム８及び下側フロアフレーム９間の互いの横方向の捩れ及び前後方向のずれが抑制され、また下側フロアフレーム９はその前部に回転自在に支持された前輪１Ｌ ，１Ｒの車軸を支点としてサスペンションばね７を伸縮させて上下に揺動可能になっている。

左側の前後輪１Ｌ ，２Ｌ及び右側の前後輪１Ｒ ，２Ｒには、それぞれの車軸に設けられたプーリ３にベルト４がそれぞれの側で巻回され、また後輪２Ｌ ，２Ｒの車軸を回転駆動するように下側フロアフレーム９の後部にモータ駆動ユニット５がそれぞれ取付けられることにより、左側の前後輪１Ｌ ，２Ｌと右側の前後輪１Ｒ ，２Ｒとをそれぞれの側で互いに独立の可変速度で正逆回転させて４輪駆動が行われる。横転後輪２Ｔには、その車軸を回転駆動するモータ駆動ユニット５ａが取付けられることにより、その接地状態で左側の前輪１Ｌ 及び右側の前輪１Ｒに対して、独立の可変速度で正逆回転させて３輪駆動が行われる。

車輪昇降用アクチュエータ３０は、図２，３に示すように、ロの字形の上側フロアフレーム８のクロス部８ａに突設されたヒンジブラケット３５ｃに基端部が枢着され、かつシリンダロッド３５ａの先端部が、モータ駆動ユニット５ａを抱持する支持部材３４に下設されたヒンジブラケット３５ｂに枢着されたモータ式のパワーシリンダ３５と、クロス部８ａに下設された両側の支持アーム３１に基端部がそれぞれ枢着され、かつ先端部に支持部材３４の両側がそれぞれ枢着された平行リンク３２，３３とを備えている。この回動機構としての平行リンクの下側のリンクアーム３３には、その基端から延長させてフレーム駆動部３９が形成されることにより、シリンダロッド３５ａの前進により横転後輪２Ｔを下降接地させるのに連動して、両側の下側フロアフレーム９に突設された突片９ａを下方から駆動して、下側フロアフレーム９を前輪１Ｌ ，１Ｒの車軸を支点として上方へ揺動させる。

パワーシリンダ３５は、図４に示すように、付属のシリンダ駆動部３８により、着座部３の右側のアームレストに設けられた切換スイッチ３７（図１に概略的に図示する）の操作に応答して進退駆動を行う。左側の後輪２Ｌ及び右側の後輪２Ｒには、これらを互いに独立の可変速度で正逆回転させるモータ駆動ユニット５用の左右一対の４輪駆動用駆動部４２Ｌ、４２Ｒが付属し、横転後輪２Ｔには独立の可変速度で正逆回転させるモータ駆動ユニット５ａ用のモータ駆動部４２Ｔが付属している。そして、操舵指令手段として右側のアームレストに設けられたジョイスティック４０（同様に概略的に図示する）及び切換スイッチ３７の操作に応答して、モータ駆動部４２Ｌ、４２Ｒ、４２Ｔに対する回転方向及び差動回転式の速度の回転指令データを演算・作成して、回転走行速度の差に応じた操舵を行わせる後輪２Ｌの回転指令信号Ｌｓ、後輪２Ｒの回転指令信号Ｒｓ、横転後輪２Ｔの回転指令信号Ｂｓを出力する回転指令データ作成部４１と、所属の車軸を回転駆動するモータ駆動ユニット５、５ａと、これらのモータ駆動ユニットを回転指令信号に応答して駆動するモータ駆動部４２Ｌ、４２Ｒ、４２Ｔとで４輪駆動用及び３輪駆動用の車輪駆動制御手段を構成している。

ジョイスティック４０は、３６０°にわたる傾倒方向及びその位置での傾倒量に応じてポテンショメータの前後方向のＹ軸信号成分Ｐｙ及びその直交方向であるＸ軸成分信号Ｐｘと、ジョイスティック４０の回転操作位置に応じた回転信号成分Ｐｒを操舵指令信号として出力する。回転指令データ作成部４１は、４輪駆動時にはこれらのポテンショメータ信号成分Ｐｙ、Ｐｘに応答して、左右の後輪２Ｌ、２Ｒ及び横転後輪２Ｔの回転速度及び回転方向の指示を行う回転指令信号Ｌｓ、Ｒｓを出力し、一方３輪駆動時にはこれらのポテンショメータ信号成分Ｐｙ、Ｐｘ、Ｐｒに応答して回転指令信号Ｌｓ、Ｒｓ、Ｂｓを出力する。回転指令信号Ｂｓは、各車輪間の外径の相違を勘案して、前輪１Ｌ ，１Ｒの回転走行速度と横転後輪２Ｔの回転走行速度とにより適宜回転差動式の操舵が行なわれるように設定される。

図５Ａは４輪駆動時のジョイスティック４０の傾倒方向に応じた速度制御による操舵状態を説明する。即ち、０°位置（＋Ｙ）での傾倒操作では、左側の前後輪１Ｌ ，２Ｌと、右側の前後輪１Ｒ ，２Ｒが回転指令信号Ｌｓ、Ｒｓに応答して等速正転しで直進する（図７Ａ）。また、その位置での傾倒量に応じて速度が増す。１８０°位置（-Ｙ）では、左右等速逆転により直線的に後退する。９０°位置（＋Ｘ）では左正転、右逆転、等速で右側へスピン回転する（同図Ｂ）。逆に、２７０°（-Ｘ）位置では、右正転、左逆転、等速で左スピンを行う（同図Ｃ）。

さらに、それぞれの９０°間隔の中間位置では、一方側の車輪が停止して曲進する。例えば、４５°位置では左正転、右停止で右方向へ曲進する（同図Ｄ）。その＋０°及び４５°の中間位置では右正転速度が徐々に減速し、４５°から９０°の位置では右逆転が始まり、その相対速度が徐々に高くなり、曲がり度合が徐々に大きくなる。以下、図示のように、矢印方向へ傾倒方向を変化させると、それぞれの傾倒位置に応じて速度の相対比が変化することにより操舵方向が変化する。

３輪駆動時には、ジョイスティック４０の左回転操作により、回転指令信号Ｌｓ、Ｒｓ、Ｂｓに応答して、右側の前輪１Ｒ 及び浮いた後輪２Ｒの正転し、左側の前後輪１Ｌ ，２Ｌの等速逆転並びに横転後輪２Ｔの前輪１Ｌ、１Ｒと回転走行速度を同一にする等速正転で左側へスピン回転を行う（同図Ｅ）。また、その回転量に応じて加速される。右回転操作により、右側の前後輪１Ｒ ，２Ｒの逆転、左側の前後輪１Ｌ ，２Ｌの等速正転、横転後輪２Ｔの等速逆転により右側へスピン回転する（同図Ｆ）。

さらに、図５Ｂは３輪駆動時のジョイスティック４０の傾倒方向に応じた操舵状態を説明するもので、回転指令信号Ｌｓ、Ｒｓ、Ｂｓに応答して、０°（＋Ｙ）位置では、横転後輪２Ｔの停止、左側の前輪１Ｌ 及び右側の前輪１Ｒ の等速正転により直線状に前進し（同図Ｇ）、１８０°（-Ｙ）位置位置では等速逆転により後退する。４５°位置では前輪１Ｌ 、１Ｒ 及び横転後輪２Ｔの互いに同一回転走行速度にする等速正転により、車体、即ちフロアフレーム８，９を転向させることなく、左４５°方向へ平行移動する。９０°位置では前輪１Ｌ 、１Ｒの停止、横転後輪２Ｔの正転で前輪１Ｌ 、１Ｒのロータ１ａの回転を伴って右直交方向へ横進する（同図Ｈ）。２７０°位置では前輪１Ｌ 、１Ｒの停止、横転後輪２Ｔの逆転で左直交方向へ横進する（同図Ｉ）。

以下、図示のように、矢印方向へ傾倒方向を変化させると、それぞれの傾倒位置に応じて速度の相対比が変化することにより操舵方向が変化する。例えば、２７０°位置から１８０°の位置間は前輪１Ｌ 、１Ｒが逆転して横転後輪２Ｔの逆転状態で徐々に相対速度を増して斜めに後退し、２２５°の位置で互いに等回転走行速度でその斜め後方へ平行移動し、さらに横転後輪２Ｔが減速して、１８０°の位置で直線後退する。

このように構成された電動車椅子の動作は次の通りである。屋外では、通常、後輪２Ｌ ，２Ｒが接地され、横転後輪２Ｔは浮上して前輪連動の４輪駆動により走行する。これにより、前述のように、ジョイスティック４０の傾倒量に応じて速度が制御され、その傾倒方向に応じて左側の前後輪１Ｌ ，２Ｌと、右側の前後輪１Ｒ ，２Ｒとの互いの回転方向及び回転速度差による回転差動式に操舵が行われる。その際、前輪１Ｌ 、１Ｒ が方向自在式であることにより、前後輪１Ｌ ，２Ｌ；１Ｒ ，２Ｒの非旋回状態で操舵が行われ、また後輪２Ｌ，２Ｒがタイヤ輪であることにより、悪路における走破性も確保される。

一方、室内において、切換えスイッチ３７を操作すると、後輪１Ｌ ，２Ｒが浮上して、図６に示すように、代わりに横転後輪２Ｔが接地する。これにより、ジョイスティック４０を前後に傾倒操作すると、前述のように、横転後輪２Ｔの停止状態で、そのロータ２ａの回転により、後輪２Ｌ ，２Ｒの空回転及び前輪１Ｒ ，１Ｌ の回転方向により直線状に前進又は後退する。

ジョイスティック４０を回転操作すると、その回転操作量に応じた速度で、その回転方向へ、前述のように、スピン回転する。その際、４輪駆動に比べて、前輪１Ｒ ，１Ｌのロータ１ａだけでなく、横転後輪２Ｔのロータ２ａも回転することにより、床面を擦ることなくスムーズにスピン回転する。ジョイスティック４０を左右の直交方向へ傾倒操作すると、横転後輪２Ｔの正転により前輪１Ｒ ，１Ｌのロータ１ａの回転を伴って右の直交方向へ横動するか、又は逆転により右の直交方向へ横動する。

０°位置から９０°又は２７０°間の途中の操作位置では、前進状態で前輪１Ｌ ，１Ｒ の正転及び横転後輪２Ｔの正転により左側の斜め方向へ差動式に操舵され、横転後輪２Ｔの逆転により右側の斜めに方向へ操舵される。その際、斜め方向の前後方向の速度成分に応じてロータ１ａ、２ａが回転することによりスムーズな操舵が行われ、しかも操舵方向へ車体が旋回することなく、直進方向を向いたまま操舵方向へ平行移動する。９０°又は２７０°位置から１８０°位置間の途中の操作位置で後進状態で同様に斜めに方向へ操舵される。さらに、ジョイスティック４０を回転操作しつつ傾倒操作を繰返すと、回転を伴いながら前進又は後退させてきめ細かく小回りできる。これらにより、狭い室内で切返し操舵を要することなく、目的位置に素早く、かつスムーズに移動できる。オフィスの机間も容易に移動できる。

さらに、前輪及び横転後輪は、隣同士が近接し得る半紡錘形状ロータを備えた自在回転輪であることにより、車輪周囲を円状にしてガタツキ無くスムーズに走行できる。但し、別の実施の形態として、本発明は、隣同士に隙間を発生させる可能性のあるそれ自体周知の円筒状ロータを備えた自在回転輪を採用する場合にも適用可能である。左側の前後輪と、右側の前後輪とがそれぞれ連動する４輪駆動式に限らず、前後４輪にそれぞれモータ駆動ユニットを付属させ、横転後輪と前輪との３輪駆動時には後輪を停止させておく４輪駆動式として駆動制御手段を構成することも可能である。操舵指令手段としては、前述の傾倒式のジョイスティックに限らず、ハンドル式にする別の構成も考えられる。

その外、車輪昇降用アクチュエータは、平行リンク式の回動機構に限らず、前後方向のシーソー構造をアクチュエータにより揺動させて下側フロアフレーム及び横転後輪を切換接地させることも考えられる。また、上側フロアフレーム及び下側フロアフレーム間の四方にサスペンションばねが介在し、フレーム連結リンクで互いに連結するフロアフレームを前提に説明したが、後輪が取付けられたフロアフレームを、前輪のフロアフレームと独立に上側フロアフレームに揺動可能に支持させる等、その他のフロアフレーム構造も考えられる。特に４輪にそれぞれモータ駆動ユニットが付属する場合、前後輪の回転走行速度が一致するように速度制御されると共に、後輪を備えた斜めの下側フロアフレームの先端を上側フロアフレームに直接枢着させ、車輪昇降用アクチュエータにより横転後輪を接地させるのに連動して下側フロアフレームの後端部を上方へ揺動せることも可能である。

本発明の実施の形態による電動車椅子の斜視図である。 同電動車椅子の構成を示すもので、同図Ａはその後輪接地時の内部側面図、同図Ｂは背面図である。 同電動車椅子の構成を示すもので、同図Ａは横転後輪接地時の内部側面図、同図Ｂは背面図である。 同電動車椅子の駆動制御手段の構成を示す図である。 同駆動制御手段のジョイスティックの動作を説明するもので、同図Ａは後輪接地時、同図Ｂは横転後輪接地時である。 同電動車椅子の横転後輪接地時の斜視図である。 同電動車椅子の操舵モードを説明する図である。

符号の説明

１ａ，２ａ ロータ
１Ｌ ，１Ｒ 前輪
２Ｌ ，２Ｒ 後輪
２Ｔ 横転後輪
５，５ａ モータ駆動ユニット
７ サスペンションばね
８ 上側フロアフレーム
９ 下側フロアフレーム
３０ 昇降用アクチュエータ
３２，３３ 平行リンク
３５ パワーシリンダ
３７ 切換スイッチ
３９ フレーム駆動部
４０ ジョイスティック

Claims (4)

1. フロアフレームの前後方向に対して直交方向へ回転する複数個のロータが周囲に配列されている左右一対の方向自在式の前輪と、前記フロアフレームに昇降可能に設けられた左右一対の前後回転式の後輪と、これらの後輪に対して直交方向に沿った横向きに配置されて前記フロアフレームに昇降可能に設けられた方向自在式の横転後輪と、前記フロアフレームに設けられて前記後輪及び前記横転後輪のいずれか一方を選択的に下降接地させる車輪昇降用アクチュエータと、前記後輪が接地させられた状態で左側の前記前後輪及び右側の前記前後輪を操舵指令信号に応答して差動回転式にモータで４輪駆動し、また前記横転後輪が接地させられた状態で左側の前記前輪、右側の前記前輪及び前記横転後輪を前記操舵指令信号に応答して差動回転式にモータで３輪駆動する車輪駆動制御手段とを備えたことを特徴とする電動車椅子。
2. 左側の前後輪及び右側の前後輪がそれぞれベルトを介して互いに連結され、それぞれの側の前記前後輪のいずれか一方にモータが付属することを特徴とする請求項１記載の電動車椅子。
3. 一対の前輪及び一対の後輪のそれぞれにモータが付属することを特徴とする請求項１記載の電動車椅子。
4. フロアフレームが、着座部及び車輪昇降用アクチュエータが設けられた上側フロアフレームと、後輪が取付けられ、かつ上下に揺動可能に上側フロアフレームに支持された下側フロアフレームとを備え、
   前記上側フロアフレーム部分に、前記車輪昇降用アクチュエータにより昇降駆動されるように、横転後輪を支持する回動機構が枢着されると共に、この回動機構に、その下降回動により前記横転後輪が接地するのに連動して、前記下側フロアフレームを上方へ揺動させるフレーム駆動部を付設したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか記載の電動車椅子。

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