JP2008072816A - 電動アシストを受けて走行する走行体及び走行体の電動アシスト方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電動アシスト付きの搬送ベッドにおいて電動モータが負荷にならないようにする。
【解決手段】搬送ベッドは、アシストモータ１２の回転数を回転センサ６６で検出し、ＣＰＵ６１で、その回転数においてアシストモータ１２が発電機に切り替わる限界出力を演算し、この限界出力よりも低い電流が供給されないようにデューティ出力を演算し、ＰＷＭ出力回路６２に出力する。ＰＷＭ出力回路６２は、スイッチング素子６４を切替制御して必要な電流がアシストモータ１２に通電されるようにする。
【選択図】図４

Description

本発明は、病弱者や荷物等の移動に使用され、電動モータによるアシスト力を受けて走行することができる走行体、そのような走行体の電動アシスト方法に関する。

電動アシストを受けて走行が可能な走行体としては、例えば、病院や介護施設、工場、倉庫等において使用される電動のベッドやストレッチャー、給食運搬用台車、荷役用電動台車などの搬送装置があげられる。このような走行体の一例としての搬送装置は、本体フレームに配置されたキャスターに加えて、電動モータで駆動される駆動輪が取り付けられており、この駆動輪によって移動時のアシスト力が得られる。本体フレーム上には、ベッドであればマットが載置され、台車であれば荷台が設けられる。

従来の電動アシスト付き搬送装置では、操作者が操作ハンドルに与えた力（操作力）を検出する装置として、操作ハンドルを操作したときのねじり変位をトーションバーで検出し、操作ハンドルの操作角度に応じた信号がポテンショメータから出力されるように構成したものがある（例えば、特許文献１参照）。ポテンショメータから出力される信号に基づいて入力トルクが検出され、入力トルクの大きさに応じて電動モータが駆動される。

電動モータに電流供給する手法としては、スイッチング素子のオンオフをＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御することが知られている。ここで、電動モータへの電流供給を停止したとき、電動モータは直ぐには停止せずに惰性によって回転を続ける。このときに電動モータは発電機として作用し、電動モータの端子間に誘起電圧が発生する。このような誘起電圧によってスイッチング素子が故障しないようにするために、従来では、一般的に、フライホイールダイオードを用いてスイッチング素子の故障を防ぐものがある。また、電源のスイッチがオフになったときに目標値として微小値を設定し、この微小値の電流を所定時間の間だけ電動モータに供給して電動モータに流れる循環電流で励起電圧を減殺し、所定時間経過後に電流供給を停止するようにした補助自転車の直流電動機の制御方法がある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５−２８９０８１号公報 再公表Ｗ０９６／２０５２９号公報

ここで、搬送装置が動いている状態で操作者からの入力が減少すると、電動モータへの電圧印加が停止するが、搬送装置自体は慣性運動によって走行しつづける。その結果、走行体の慣性運動によって電動モータが回転させられてしまうことがある。このような場合には、電動モータは搬送装置に対して負荷（ブレーキ）として作用するので、操作者が慣性運動で走行させようとした場合でも、電動モータのブレーキによって搬送装置が急減速するなど、操作者の意思と搬送装置の走行状態とが不一致になる。このため、搬送装置の走行状態に応じて電動モータがブレーキにならないように制御する必要がある。しかしながら、従来のように、スイッチング素子の破壊を防止するような微小、かつ一定の電流では、このような課題を解決することができなかった。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電動アシスト付きの走行体において電動モータが負荷にならないようにすることを主な目的とする。

上記の課題を解決する本発明の請求項１に係る発明は、操作者が加える入力トルクを検出し、この入力トルクに基づく出力で電動モータを駆動させて駆動輪を回転させ、操作者の入力をアシストする電動アシスト力を発生させる走行体であって、前記電動モータの回転数を検出する回転センサと、その回転数において前記電動モータが電動アシストから回生運転に移行する限界出力を求め、この限界出力以上の出力が前記電動モータの印加されるように前記電動モータの駆動回路に指令信号を出力する制御装置とを有することを特徴とする電動アシストを受けて走行する走行体とした。
この電動アシストを受けて走行する走行体は、電動モータの限界出力を、電動モータの現在の回転数（走行体の速度）において電動モータに通電する出力が下っていったときに電動モータが発電機に移行するときの出力とし、この限界出力を下回らないにように通電制御をする。その結果、操作者からの入力が減少しても電動モータが発電機にならないようになる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の電動アシストを受けて走行する走行体において、前記電動モータに電力を供給するバッテリと、前記バッテリの電圧を検出する電圧センサとを有し、前記制御装置は、前記電圧センサの検出値から限界出力を供給するためのデューティ出力を演算するように構成したことを特徴とする。
この電動アシストを受けて走行する走行体は、スイッチング素子のオンオフで通電制御をする構成において、操作者からの入力が減少しても電動モータが発電機にならないようになる。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の電動アシストを受けて走行する走行体であって、患者を寝かせるマットと、前記マットを載置する本体部と、前記本体部に対して揺動自在に設けられ、操作者が入力トルクを与えるハンドルとを備える搬送ベッドであることを特徴とする電動アシストを受けて走行する走行体とした。
この電動アシストを受けて走行する走行体は、患者を移送する搬送ベッドであり、搬送ベッドを押す力を電動モータでアシストすると共に、搬送ベッドの走行中に搬送ベッドを押す力が減少しても、電動モータが発電機にならないようになる。

請求項４に係る発明は、操作者から入力されたトルクを検出し、そのトルクの大きさに応じて電動モータを駆動させるときの出力として、第１の出力を演算するステップと、前記電動モータの回転数を検出し、前記電動モータが電動アシスト力を発生する運転から回生運転に移行するときの出力に相当する第２の出力を演算するステップと、前記第２の出力よりも前記第１の出力が低い場合に、前記第２の出力で前記電動モータを駆動させるステップと、を有する走行体の電動アシスト方法とした。
この走行体の電動アシスト方法は、操作者の入力に相当する第１の出力と、電動モータが現在の回転数で発電機にならないようにするために必要な第２の出力とを演算し、第１の出力が第２の出力よりも小さくなったときには、第２の出力を採用して電動モータが発電機になることを回避する。

本発明によれば、走行中に操作者からの入力が減少したときに、限界出力を下回らないように制御することで、電動モータが走行体の走行によって回転させられて発電機にならないようにできるので、電動モータが走行体に対して負荷になることを防止できる。これによって、操作者が慣性運動で走行させようとした場合にも操作者の意思と搬送装置の走行状態とを一致させることが可能になる。

発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下において、走行体は病院用の搬送ベッドとして説明する。また、前後方向とは、ベッドの長手方向であって、搬送ベッドが主に進退する方向とする。幅方向とは、前後方向に直交する幅方向をいうものとする。

図１及び図２に示すように、搬送ベッド１は、本体フレーム２（本体部）を有し、本体フレーム２上に患者を寝かせるマット３が載置されている。さらに、本体フレーム２にはマット３を囲むように安全柵４が取り付けられている。本体フレーム２からは脚部５が４本下向きに延設されており、脚部５の下端にはキャスター６が１つずつ取り付けられている。さらに、本体フレーム２の底部で４本の脚部５の間には、支柱７が下向きに固定されている。支柱７の下端には、アーム８が固定されており、アーム８に駆動ユニット１０が図中に矢印Ｘで示す方向に回動自在に連結されている。

駆動ユニット１０は、搬送ベッド１の幅方向に同じものが１つずつ設置されており、ベース部１１に直流駆動の電動モータであるアシストモータ１２と、アシストモータ１２の回転を減速する減速機１３とが搭載されている。減速機１３の出力軸は、回転軸１４になっており、回転軸１４には、駆動輪１５が固定されている。ベース部１１の前側には、ブラケット２０が固定されている。ブラケット２０は、高さ方向に延びており、ベース部１１に近い基端部にアーム８が連結されている。ブラケット２０の上端部には、圧縮コイルバネ２１を介して昇降アクチュエータ２２のプランジャ２３が固定されている。圧縮コイルバネ２１及び昇降アクチュエータ２２は、ブラケット２０から前方に延びるように配置されている。昇降アクチュエータ２２は、本体フレーム２から延びるブラケット２５に支持されている。昇降アクチュエータ２２は、ＤＣモータ２６を備えており、ＤＣモータ２６の回転によってプランジャ２３を矢印Ｙ方向に伸縮させることができる。プランジャ２３が延伸すると、圧縮コイルバネ２１を介してブラケット２０の上端部が押される。これによって、ベース部１１がアーム８に連結されている部分を起点としてＸ方向に回動し、駆動ユニット１０が床面に押し付けられて接地荷重が発生する。

さらに、本体フレーム２の底部で、駆動ユニット１０よりも後方には、電源用のバッテリ３０と、アシストモータ１２，２６の制御をする制御装置であるコントローラ３１とが取り付けられている。バッテリ３０は、アシストモータ１２，２６やコントローラ３１に電力供給すると共に、マット３のリクライニング機構（不図示）のモータ等に電力供給を行う。コントローラ３１は、本体フレーム２に取り付けられたコントロールパネル（不図示）に接続されており、操作者の入力指示に従ってアシストモータ１２等の駆動制御を行うこともできる。

本体フレーム２の後端の安全柵４には、ハンドル機構部４０が設けられている。ハンドル機構部４０は、ブラケット３９を介してセンサ装置（操作力検出装置）４１が取り付けられている。センサ装置４１は、搬送ベッド１の移動に際して操作者が与える操作荷重（入力トルク）を検出するためのセンサである。
図１及び図３に示すように、センサ装置４１は、ブラケット３９に固定されたハウジング４２に中空シャフト４３が回転自在に支持されている。中空シャフト４３の回転軸は、搬送ベッド１の幅方向に略一致している。中空シャフト４３の一端部には、トーションバー４４が連結されている。トーションバー４４は、一端がハウジング４２に固定され、他端が中空シャフト４３の一端部に固定されている。中空シャフト４３の他端側には、トーションバー４４のねじり変位を計測するポテンショメータ４５が配置されている。ポテンショメータ４５の出力は、コントローラ３１に接続されている。

さらに、中空シャフト４３には、ハンドル５０の基端部が固定されている。ハンドル５０は、操作者が搬送ベッド１を押し引きする際に操作荷重（入力トルク）が付与される入力部であり、中空シャフト４３の軸線回りに図1に示す矢印Ｚで示す方向に揺動可能である。ここで、ハンドル５０を揺動させると、その入力トルクによりハンドル５０が傾いて中空シャフト４３が回転する。これに伴ってトーションバー４４にねじり変位が生じる。ポテンショメータ４５は、このねじり変位を計測してコントローラ３１に出力する。ここで、ハンドル５０に加えられる入力トルクとトーションバー３５のねじり変位との間には相関関係があり、トーションバー３５のねじり変位とポテンショメータ３６の出力との間にも相関関係がある。したがって、ポテンショメータ４５からはハンドル５０の入力トルクに応じた信号が出力される。コントローラ３１は、この計測値に基づいて搬送ベッド１に付与された入力トルクを算出する。なお、ハウジング４２内に伝達ギヤと従動ギヤとを設け、トーションバー４４の回転を増幅してからポテンショメータ４５に入力する構成にすると分解能が高くなって角度変化の検出精度が向上する。

図４の機能ブロックに示すように、コントローラ３１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６１を有し、コントローラ３１にはＰＷＭ出力回路６２が接続されている。ＰＷＭ出力回路６２は、アシストモータ１２の通電制御をするＨブリッジ回路６３を構成する４つのスイッチング素子（ＦＥＴ）６４が接続されている。さらに、ＣＰＵ６１には、アシストモータ１２のロータの回転位置を検出する回転センサ（例えば、ロータリエンコーダなど）６６の出力パルスが入力されるようになっている。また、コントローラ３１には、バッテリ３０の電圧を検出するバッテリ電圧検出回路６５（電圧センサ）も設けられている。

搬送ベッド１で患者などを搬送するときには、操作者はハンドル機構部４０のハンドル５０を押す。ハンドル５０を押す力である入力トルク（ハンドル入力）は、トーションバー４４のねじり変位としてポテンショメータ４５で検出される。ポテンショメータ４５の検出値（電圧）は、ＣＰＵ６１に入力され、ＣＰＵ６１内部のＡ／Ｄコンバータでデジタル信号に変換される。

次に、図４に示す機能ブロック図を参照して搬送ベッド１の駆動制御について説明する。
ハンドル機構部４０の入力は、コントローラ３１のＣＰＵ６１に入力される。コントローラ３１は、ハンドル入力に基づいてデューティ出力を演算してＰＷＭ出力回路６２に出力する。ＰＷＭ出力回路６２は、所定のスイッチング素子６４をＯＮにし、アシストモータ１２に通電がなされて回転する。スイッチング素子６４のＯＮ−ＯＦＦの切り替えのタイミングは、回転センサ６６の検出結果等に基づいてＣＰＵ６１が判定する。
アシストモータ１２の回転は、減速機１３で減速された後に伝達され、駆動輪１４が回転する。これによって発生する電動アシスト力（駆動力）で操作者がハンドル５０を使って搬送ベッド１を押す力がアシストされる。

ここで、コントローラ３１におけるデューティ出力の制御の処理フローについて図５を参照して説明する。ＣＰＵ６１は、最初に操作者がハンドル５０から入力する荷重に応じて出力演算処理を行う（ステップＳ１０１）。演算結果として得られる第１の出力は、アシスト力として出力すべき目標値である。次に、搬送ベッド１の現在の車速及びバッテリ３０の電圧をパラメータとして、アシストモータ１２が負荷にならないために必要な最低出力として第２の出力（限界出力）を演算する（ステップＳ１０２）。第２の出力は、後述する図６及び図７のような関係式を使用する。そして、第１の出力と第２の出力の大小関係を比較し（ステップＳ１０３）、第１の出力が第２の出力以上であった場合には（ステップＳ１０３でＹｅｓ）、第１の出力をデューティ出力とする（ステップＳ１０４）。一方、第１の出力が第２の出力未満であった場合には（ステップＳ１０３でＮｏ）、第２の出力をデューティ出力とする（ステップＳ１０５）。なお、この処理は、コントローラ３１が起動している間は繰り返して行われる。また、コントローラ３１が第１の出力を目標値に徐々に近づけてるような処理を実施するときには、ステップＳ１０１で得られる第１の出力は、処理を繰り返す度に少しずつ目標に近付くような値になる。

ステップＳ１０２で第２の出力を演算するための関係式は、予め図６に示すようなモータ特性のマップを作成することで得られる。図６は、横軸にアシストモータ１２に供給する電流をとり、縦軸にアシストモータ１２の回転数と、アシストモータ１２が発生するトルクをとってあり、電流−回転数の関係と、電流−トルクの関係が示されている。ラインＬＲ１〜ＬＲ６は、回転数の電流依存性を印加電圧ごとに調べた結果のグラフである。ラインＬＲ１は、５Ｖ印加時のグラフであり、以下、ラインＬＲ２から順番に、８Ｖ印加時、１３Ｖ印加時、２２Ｖ印加時、２５Ｖ印加時の電流依存性を示している。また、ラインＬＴ１は、アシスト電流を増加させたときにオフセットされた位置から立ち上がるトルクの変化を示したグラフである。ラインＬＴ１が立ち上がるポイントが無負荷電流である（このときの電流値はゼロではない）。各ラインＬＲ１〜ＬＲ６においてラインＬＮ１との交点、つまり無負荷電流における回転数が無負荷回転数となる。ラインＬＮ１よりも左側の領域、つまり無負荷転流よりも少ない電流で回転駆動した場合にアシストモータ１２は発電機として働く。

例えば、ラインＬＮ１の右側、つまり無負荷電流よりも大きい電流が供給されているときには、アシストモータ１２は、操作者の入力をアシストするアシスト力を発生させるように運転し、ラインＬＴ１に従ってアシスト力が発生する。これに対して、ラインＬＮ１を境界として、左側の領域、例えば、無負荷電流よりも電流値が小さい領域では、搬送ベッド１が走行することでアシストモータ１２が回転させられ、結果的にアシストモータ１２が発電機になる。

図６のモータ特性のマップに基づいて無負荷回転数におけるラインＬＮ１をアシストモータ１２の回転数と印加電圧とをパラメータとして整理すると、図７に示すマップが得られる。ここで、横軸（ｘ軸）は回転数（ｒｐｍ）であり、縦軸（ｙ軸）は印加電圧（Ｖ）である。ラインＬＮ１は、所定の値ｂをｙ切片とし、傾きＡを有するｘ、ｙの一次関数となる。このラインＬＮ１よりも上側の領域は、駆動力発生領域、つまりアシスト力を発生させる領域になる。ラインＬＮ１よりも下側の領域は、発電領域、つまり搬送ベッド１が走行することでアシストモータ１２が回される領域になる。この発電領域では、アシストモータ１２自身が搬送ベッド１に対して負荷になる。したがって、図６に示すようなラインＬＮ１を与える関係式を用い、発電領域に入らないようにデューティ出力を制御する。具体的には、回転数が回転センサ６６のパルス出力から得られるので、この回転数をラインＬＮ１の関係式に代入し、必要な印加電圧を算出する。そして、この印加電圧が得るために必要なデューティ出力を、バッテリ電圧検出回路６５で読み取ったバッテリ３０の電圧に基づいて決定する。このデューティ出力が前記した第２の出力（限界出力）になる。

この結果、例えば、操作者が駆動力発生領域に相当する入力トルクで搬送ベッド１を押しているときには、第１の出力に応じて印加電圧（印加電流）が演算されてアシストモータ１２がアシスト力を発生させる。その後、入力トルクが小さくなって、第１の出力が駆動力発生領域から発電領域内に移動したときには、第２の出力でアシストモータ１２が駆動される。この状態でアシストモータ１２は、搬送ベッド１の負荷にならず、積極的にアシストする状態でもない。さらに、慣性運動する搬送ベッド１の速度が減少すると、搬送ベッド１の速度の減少、つまりアシストモータ１２の回転数の減少に応じて第２の出力も減少し、アシストモータ１２が負荷にならず、アシストもしない状態を維持する。一方、操作者が搬送ベッド１を押して第１の出力が第２の出力よりも大きくなったら、入力トルクに追従してアシスト力を発生させる。

この実施の形態によれば、搬送ベッド１が走行中に操作者からの入力が減少したときに、アシストモータ１２が回生（発電）駆動にならないようにアシストモータ１２に電力供給するようにしたので、搬送ベッド１を円滑に慣性運動させることができ、操作者の操作感が良好になる。また、アシストモータ１２が発電機（ブレーキ）として作用すると操作者には搬送ベッド１が重く感じられるようになるが、このような問題も解決できる。さらに、アシストモータ１２が搬送ベッド１の走行をアシストしたり、搬送ベッド１の走行にブレーキになったり頻繁に切り替わることが防止されるので、このよう切り替えに起因して発生する振動を抑制できる。

また、この実施の形態では、予め数個のモータ平均値からモータ特性のマップを作成し、第２出力を演算するための関係式を求めている。よって、この関係式をそのまま使用した場合には、各モータのモータ特性のばらつきに対応することができない。すなわち、発電領域が平均よりも高電圧側にあるときには、発電機（ブレーキ）として作用してしまうことがある。したがって、上記の関係式を上側に予めシフトしたものを用いることも考えられる。さらに、実際の制御では、一定回転数以上では積極的に発電機（ブレーキ）として用いたい場合もある。したがって、一定回転数以上では上記関係式を用いず、すなわち第１または第２の出力ではなく、常に発電機（ブレーキ）として作用する出力を用いることも考えられる。

なお、本発明は、前記の実施の形態に限定されずに広く応用することができる。
例えば、制御対象は、走行体に限定されず、Ｈブリッジ回路を用いて電動モータを同期整流する制御装置として、種々のモータの駆動制御に用いることが可能である。
走行体は、搬送ベッド１に限定されない。工場などで使用される搬送台車でも良い。また、その他の走行体でも良い。
第２の出力を求める手法は、関数や、マップなど種々のものを使用できる。

本発明の一例である搬送ベッドの構成を示す側面図である。 搬送ベッドを下から見た図である。 図１のＡ矢視であって、ハンドル機構部の構成を示す図である。 搬送ベッドの制御ブロック図である。 電動モータに印加する電力を制御するフローチャートである。 電動モータの特性の一例を示す図である。 第２の出力を演算する手法の一例を示す図である。

符号の説明

１ 搬送ベッド（走行体）
２ 本体フレーム（本体部）
３ マット
１２ アシストモータ（電動モータ）
１５ 駆動輪
３０ バッテリ
３１ コントローラ（制御装置）
５０ ハンドル
６１ ＣＰＵ
６２ ＰＷＭ出力回路
６５ バッテリ電圧検出回路（電圧センサ）
６６ 回転センサ

Claims (4)

1. 操作者が加える入力トルクを検出し、この入力トルクに基づく出力で電動モータを駆動させて駆動輪を回転させ、操作者の入力をアシストする電動アシスト力を発生させる走行体であって、
   前記電動モータの回転数を検出する回転センサと、その回転数において前記電動モータが電動アシスト力を発生する運転から回生運転に移行する限界出力を求め、この限界出力以上で前記電動モータが駆動されるように前記電動モータの駆動回路に指令信号を出力する制御装置とを有することを特徴とする電動アシストを受けて走行する走行体。
2. 前記電動モータに電力を供給するバッテリと、前記バッテリの電圧を検出する電圧センサとを有し、前記制御装置は、前記電圧センサの検出値から限界出力を供給するためのデューティ出力を演算するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の電動アシストを受けて走行する走行体。
3. 請求項１又は請求項２に記載の電動アシストを受けて走行する走行体であって、患者を寝かせるマットと、前記マットを載置する本体部と、前記本体部に対して揺動自在に設けられ、操作者が入力トルクを与えるハンドルとを備える搬送ベッドであることを特徴とする電動アシストを受けて走行する走行体。
4. 操作者から入力されたトルクを検出し、そのトルクの大きさに応じて電動モータを駆動させるときの出力として、第１の出力を演算するステップと、
   前記電動モータの回転数を検出し、前記電動モータが電動アシスト力を発生する運転から回生運転に移行するときの出力に相当する第２の出力を演算するステップと、
   前記第２の出力よりも前記第１の出力が低い場合に、前記第２の出力で前記電動モータを駆動させるステップと、
   を有する走行体の電動アシスト方法。

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