JP2008246069A - 回診用ｘ線撮影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特に停止時の操作性を向上させる。
【解決手段】操作力検出モジュール８６は、操作ハンドル６で検出された操作力Ｓに基づいて、操作の大きさと方向Ｄを算出する。トルク計算値算出モジュール８７は、操作の大きさと方向Ｄに基づいて、トルク計算値Ｔ’を算出する。更に、出力算出モジュール８８は、トルク計算値Ｔ’に基づき、時間的な変動を制限した出力トルクＴを算出するとともに、出力トルクＴに基づいて、モータへ出力するＰＷＭのデューティー比Ｒを決定する。このとき、トルク計算値Ｔ’の方向と前回出力トルクＴ_ｐの方向とが異なる場合には、出力トルクＴの時間変動の制限を緩和する。このように構成することで、自然な操作で装置を停止させることが可能となる。
【選択図】図４

Description

この発明は、病室でＸ線撮影を行う回診用Ｘ線撮影装置に係り、特に、走行制御に関する。

従来の回診用Ｘ線撮影装置は、圧力センサにより操作の大きさ及び方向を検出する操作ハンドルと、左右独立に駆動される一対の駆動車輪と、その車輪の軸に設けられたモータと、そのモータをブリッジの中央に位置してスイッチング素子で構成された駆動用のブリッジ回路と、モータのトルクを前記ブリッジ回路でＯＮ‐ＯＦＦデューティー制御するＰＷＭ制御回路と、駆動される車輪の回転速度を検知するエンコーダとを備え、所定周期（例えば２０ｍｓ）で、前記圧力センサからの信号とエンコーダからの信号を受けてモータのトルクを制御し、駆動車輪を回転させて移動するように構成されている（例えば特許文献１）。

上記モータのトルクは、前記パルス幅制御回路のパルス幅を、〔（パルス制御幅の最大値）／（モータの最大出力トルク）〕×〔（モータの最大回転数）／（モータの最大回転数−モータの回転数）〕×（操作ハンドルを押す力）で算出された値に比例するように制御される。そのため、モータの出力トルクＴ＝（増幅率α）×（押す力Ｆ）の関係を維持するように、上記の演算が行なわれる。

このように構成された回診用Ｘ線撮影装置は、操作力と出力トルクとの線形性が改善されるため、自然な操作感で操作することができる。しかし、操作力を直接出力トルクとすると、特に始動時などの低速駆動時に、急峻な加減速が生じて、ギクシャクした操作感になっていた。

かかる問題を解決するために、トルクの変動を制限することが行われる。例えば、右側について、操作の大きさ及び方向に基づいて決定された出力トルクをＴ_ｒ’、前回の出力トルクをＴ_ｐｒ、トルクの許容最大変動量をΔＴ_ｌｉｍとしたとき、次のように出力トルクＴを決定する。

特開２００１−２５８８７２号公報

従来技術のようなトルク変動制限処理を行うと、立ち上がりなどのギクシャク感は低減されるが、減速時の速度変動も緩やかになり、走行中に停止しようとしても即座に停止せず、操作者に不安を与える要因になる。多くの操作者は、装置に引っ張られるような感覚を訴えた。

本発明は、立ち上がり時のギクシャク感を解消しつつ、自然な操作で装置を停止させることができる回診用Ｘ線撮影装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の回診用Ｘ線撮影装置は、Ｘ線発生装置と、操作ハンドルと、前記操作ハンドルに加えられた操作力を検出する操作力検出手段と、左右一対の駆動車輪と、前記駆動車輪を駆動する回転駆動手段と、所定周期毎に、前記検出された操作力に基づいて、トルク計算値を算出するトルク計算値算出手段と、前記トルク計算値に時間変動制限処理を施して出力を決定する出力変動制限手段と、前記出力に基づいて前記回転駆動手段を制御する駆動制御手段と、前記出力を前回出力として記憶する記憶手段とを有し、前記時間変動制限処理は、前記トルク計算値の方向と前記前回出力の方向とが同じ場合には、前記トルク計算値に基づいて、前記前回出力との差の絶対値が第一の変動制限値以下になるような前記出力を算出するとともに、それ以外の場合には、次の（Ａ）〜（Ｃ）のうちのいずれかの処理を行うことを特徴とする。
（Ａ）前記トルク計算値に基づいて、前記前回出力との差の絶対値が前記第一の変動制限値より大きい第二の変動制限値以下になるような前記出力を算出する。
（Ｂ）前記トルク計算値に基づいて、絶対値が所定の出力制限値以下になるような前記出力を算出する。
（Ｃ）前記出力を０とする。
なお、前記トルク計算値の方向と前記前回出力の方向とが同じ場合には、いずれかが０である場合を含む。

上記構成に基づいて本発明は次のように作用する。すなわち、トルク計算値算出手段は、操作ハンドルで検出された操作力に基づいて、トルク計算値を決定する。出力算出手段は、トルク計算値と前回出力との差が、所定の出力変動制限を超えている場合には、その差が所定の出力変動制限内に収まるように補正されて出力とされる。一方、トルク計算値と前回出力との差が、所定の出力変動制限を超えていない場合には、トルク計算値がそのまま出力として採用される。

出力変動制限は、前回出力とトルク計算値との方向が異なる場合に、より大きい値が選択される。前回出力とトルク計算値との方向が異なる場合とは、例えば、操作ハンドルを前方へ押して走行していたときに、後方へ操作ハンドルを引いてから、出力が逆方向になるまでの状態に相当する。

駆動制御手段は、採用された出力に基づいて、回転駆動手段を制御する。回転駆動手段が制御されることにより、駆動車輪の回転速度が変化し、その結果、回診用Ｘ線撮影装置の移動速度が変化する。反転操作をした後、出力が逆方向になるまでの間は、出力変動制限が緩和されるため、出力が急激に０に向かう。出力の方向が反転した後は、通常の出力変動制限が適用される。

上記作用に基づいて請求項１に記載の発明は、加速時には出力変動制限により滑らかな操作性が実現され、装置を迅速かつ自然に停止させることができるという効果を奏する。

図１を参照して、本発明にかかる回診用Ｘ線撮影装置の概要を示す。
本実施形態に係る回診用Ｘ線撮影装置１は、台車２に旋回可能に保持された支柱５と、支柱５に高さ方向に移動可能に保持されたＸ線管保持アーム７と、Ｘ線管保持アーム７に保持されたＸ線管３と、Ｘ線管３に旋回可能に保持されたコリメータ４と、台車２に対し前後方向に移動可能に保持された操作ハンドル６と、台車２の操作ハンドル６側に配置された左右一対のタイヤ９１及びモータ９２から構成される駆動車輪９と、支柱５側に配置された左右一対のキャスター１０とから構成される。

台車２の内部には、ＣＰＵ基板８が配置されている。ＣＰＵ基板８は、操作ハンドル６からの信号に所定の処理を施して、モータ９２に対して、ＰＷＭ波形を出力する機能を有する。その他のＸ線管３及びコリメータ４を、台車２に対して移動可能に保持している機構については、周知の技術であるので、説明を省略する。

次に操作ハンドル６に加わる操作力を電気信号に変換する機構について説明する。図２は、走行操作ハンドル６付近を装置上方から見た断面図である。圧力センサ６４と、走行操作ハンドル６に加えられた前後方向の操作力を圧力センサ６４に伝達する弾性体６３とから構成される。なお、左に配置された各構成物の符号には「ｌ」を、右に配置された各構成物の符号には「ｒ」をそれぞれ付している。また、走行操作ハンドル６の前方に配置された構成物には「ｆ」を、後方に配置された構成物には「ｂ」をそれぞれ付している。圧力センサ６４は、表面に加わる圧力に応じて電気抵抗が変化するものであって、この抵抗値を電圧に変換した信号Ｅ_ｆｌ， Ｅ_ｆｒ， Ｅ_ｂｌ， Ｅ_ｂｒ（以下操作力信号Ｅという）をＣＰＵ基板８で検出する。

そのＣＰＵ基板８のハードウエア構成について、図３に基づいて説明する。ＣＰＵ基板８は、上記操作力信号Ｅをデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器８２と、当該デジタル値を処理するＣＰＵ８１と、ＣＰＵ８１からの指令に応じたデューティーのＰＷＭ波形を生成するＰＷＭ制御回路８３と、ＰＷＭ制御回路８３から出力されるＰＷＭ波形により、モータの駆動電流をオンオフするＦＥＴブリッジ回路８４と、ＣＰＵ８１が使用するＲＡＭ８５とを有する。

次に、ＣＰＵ８１内で動作するプログラムについて説明する。当該プログラムは、図４に示すように、操作力検出モジュール８６と、トルク計算値算出モジュール８７と、出力算出モジュール８８とから構成される。

操作力検出モジュール８６は、操作力信号ＥをＡ／Ｄ変換器８２から得たデジタル値を、操作力値Ｓ_ｆｌ， Ｓ_ｆｒ， Ｓ_ｂｌ， Ｓ_ｂｒ（以下操作力値Ｓという。）に変換する。例えば、バネばかり等、所定の圧力を加えることができる測定手段を用いて、予め走行操作ハンドル６に数種類の圧力をかけたときに検出された操作力信号Ｅ_ｆｌ， Ｅ_ｆｒ， Ｅ_ｂｌ， Ｅ_ｂｒの値を校正値として記憶しておき、実際に検出された操作力信号Ｅを校正して、操作力値Ｓを得ることができる。

このようにして得られた操作力値Ｓに基づいて、操作の方向Ｄ_ｓと大きさＤ_ｇを求めることができる。

なお、ここでいう操作の方向Ｄ_ｓとは、走行操作ハンドル６のひねり方向の操作力に相当する。回診用Ｘ線撮影装置１を最小半径で旋回させた場合には、左右の駆動車輪９の中央がその旋回中心となる。その結果、操作者は、その略上部にある走行操作ハンドル６をひねるようにして、装置をカーブさせたり旋回させたりすることが自然であると感じるのである。

本実施形態における、弾性体６３、圧力センサ６４、Ａ／Ｄ変換器８２、及び、操作力検出モジュール８６は、操作力検出手段の構成要素である。ただし、操作力検出手段は、このような構成に限られず、操作ハンドル６に加わる操作力を電気信号に変換する機能を有する限り、その態様を種々変更可能である。

次に、トルク計算値算出モジュール８７は、操作力検出モジュール８６から、操作の方向Ｄ_ｓと大きさＤ_ｇを受け取り、左右の駆動車輪９に出力すべきトルク計算値Ｔ_ｒ’、Ｔ_ｌ’（以下左右をまとめて称するときは、トルク計算値Ｔ’と記載する）を算出する。

ここで、Ｐ_ｇは、操作の重さを表すゲインパラメータである。また、Ｐ_ｓは、旋回性能を表す旋回パラメータである。

ゲインパラメータと旋回パラメータを考慮してトルク計算値Ｔ’を算出することとすれば、操作者の好みに応じた操作感を実現できるため好適である。ただし、トルク計算値は別の方法で求めても良い。例えば、ゲインパラメータや旋回パラメータを用いずに、操作力値Ｓに係数を掛けるなどしてトルク計算値Ｔ’としてもよい。その他、操作力に何らかの演算を施して、トルク計算値値を得る限りにおいて、その方法を種々変更可能である。
なお、本実施形態におけるトルク計算値Ｔ_ｒ’、Ｔ_ｌ’は、本発明のトルク計算値に相当する。

次に、出力算出モジュール８８は、前回の出力Ｔ_ｐと、トルク計算値Ｔ’とに基づいて、時間的な変動を制限した出力トルクＴを決定し、その出力トルクＴを生ずるように、ＰＷＭのデューティーを決定する。
なお、本実施形態における出力トルクＴは、本発明における出力に対応している。また、前回の出力トルクＴ_ｐは、本発明における前回出力に対応している。

以下、右車輪に対応する出力トルクＴ_ｒを求める実施例について説明するが、左車輪に対応する出力トルクＴ_ｌについても同様の手順で算出する。

［実施例１］
前回の出力トルクＴ_ｐｒをＲＡＭ８５から読み出し、トルク計算値Ｔ_ｒ’との差分ΔＴ_ｒを算出する。

次に、トルク変動の上限ΔＴ_ｌｉｍを次のように決定する。

ただし、ΔＴ_ｌｉｍ１＜ΔＴ_ｌｉｍ２である。
すなわち、トルク計算値Ｔ_ｒ’の方向と前回出力トルクＴ_ｐｒの方向とが異なる場合には、トルク変動の制限を緩和する（出力トルクＴ_ｒの急峻な変動を許容する）。

ΔＴ_ｌｉｍ１及びΔＴ_ｌｉｍ２は、制御の周期（本実施形態では２０ｍｓとする）、モータのイナーシャ、出力最大トルク、要求される応答速度、最高速度などを勘案して、定める。非常に多くのパラメータが関係するため、どの程度のトルク制限をかける必要があるかは、実験的により調整することが望ましい。
目安として、制御の周期を、静止状態から標準的な歩行速度（約４〜５ｋｍ／時）に至るまでに要する時間で割った値に、出力最大トルクを乗じたものの数分の一としたものを、ΔＴ_ｌｉｍ１とするとよい。ΔＴ_ｌｉｍ２は、ΔＴ_ｌｉｍ１の数倍とすることが望ましい。

なお、本実施例におけるΔＴ_ｌｉｍ１及びΔＴ_ｌｉｍ２は、本発明における第一の変動制限値及び第二の変動制限値に相当する。

決定したトルク変動の上限ΔＴ_ｌｉｍに基づいて、出力トルクＴ_ｒを次のように決定する。

なお、本実施例において、出力算出モジュール８８における処理は、時間変動制限処理に相当する。出力算出モジュール８８及び、これを実行するために必要なハードウエアは、本発明における出力変動制限手段に相当する。

このようにして算出された出力トルクＴに基づいて、ＰＷＭ信号のデューティー比Ｒを決定する。単に出力トルクＴに比例するデューティー比で出力すると、低回転域で大きなトルクが出力されるというモータの特性上、自然な操作感覚を得ることができない。従って、自然な操作を達成するためには、モータの回転数を検出する手段を設けて、検出された回転数によるデューティー比の補正を行うことが望ましい。当該補正方法は、従来技術に記載したとおりであるので、説明を省略する。

このようにして決定されたデューティー比Ｒは、ＣＰＵ８１からＰＷＭ制御回路８３へ出力される。更に、ＰＷＭ制御回路８３は、ＦＥＴブリッジ回路８４のＦＥＴのゲートを、上記デューティー比Ｒに従ってオンオフする。

モータ９２は、ＦＥＴブリッジ回路８４のオンオフにより電流が流され、電流量に応じたトルクを発生させる。

［実施例２］
出力トルクＴを算出する他の実施例について説明する。

まず、トルク変動の上限ΔＴ_ｌｉｍを、ΔＴ_ｌｉｍ１とする。なお、本実施形態におけるΔＴ_ｌｉｍ１は、本発明における第一の変動制限値に相当する。

Ｔ_ｒ’とＴ_ｐｒとの符号が同一の場合には、次の式により、出力トルクＴ_ｒを決定する。

それ以外の場合には、次式により、出力トルクＴ_ｒを決定する。すなわち、トルク計算値トルクの絶対値が、所定のトルクの上限値Ｔ_ｌｉｍを超えないように制限する。ここで、上限値Ｔ_ｌｉｍをあまり大きく設定すると、進行方向と反対方向へ大きなトルクが生じるため好ましくない。違和感のない制御を実現するためには、上限値Ｔ_ｌｉｍは、通常トルク変動の上限として設定するΔＴ_ｌｉｍ１程度とすることが好ましい。なお、トルクの上限値Ｔ_ｌｉｍは本発明における所定の出力制限値に相当する。

［実施例３］
他の実施例では、上記実施例２における数８に代えて、次の式を採用する。

すなわち、出力トルクを０にする。

なお、上記いずれの実施例においても、トルク変動の上限ΔＴ_ｌｉｍとして、ΔＴ_ｌｉｍ１、ΔＴ_ｌｉｍ２又は、Ｔ_ｌｉｍの定数を用いたが、いずれか又は両方を前回出力トルクの大きさなどに連動させることにしてもよい。

次に、本実施形態の回診用Ｘ線撮影装置の作用効果について、従来例及び比較例と対比して説明する。

図５（ａ）は、本実施形態にかかる回診用Ｘ線撮影装置の操作力Ｓ、出力トルクＴ、及び移動速度Ｖの関係を示したグラフである。図５（ｂ）は、従来技術にかかる回診用Ｘ線撮影装置についての同様のグラフである。
図５において、グラフの縦軸は、操作力Ｓ、出力トルクＴ、及び移動速度Ｖであって、前方向を正、後方向を負と表現している。また、横軸は時刻である。また、操作力Ｓを実線で、出力トルクＴを一点鎖線で、移動速度Ｖを点線で、それぞれ示している。

図５において、時刻ｔ_１〜ｔ_２は、回診用Ｘ線撮影装置１が前方向へ移動している状態である。また、時刻ｔ_２において操作ハンドル６を手前に引いたことにより、時刻ｔ_３で出力トルクＴが反転し、時刻ｔ_４において装置が停止するに至っていることが分かる。

なお、図５（ａ）中、（１）で示した出力トルクＴの特性は、上記実施例１に相当する制御によるものである。同様に、（２）、（３）で示した出力トルクＴの特性は、夫々、上記実施例２，３に相当する制御によるものである。（２）、（３）については、実施例１と異なる特徴的な特性部分のみ記載して、その他の部分を省略した。

図５（ａ）、（ｂ）を比較すると、図５（ａ）では、図５（ｂ）に比べ、時刻ｔ_２〜ｔ_３の時間が非常に短くなっている。従って、時刻ｔ_２〜ｔ_４の時間が短縮され、操作者が操作ハンドル６を手前に引いた後、短時間で装置が停止していることになる。

ただし、ｔ_３〜ｔ_４の期間においては、操作力Ｓに基づいて定められるトルク計算値Ｔ’と、実際の出力トルクＴとの方向がいずれも後方であるため、通常の変動制限処理が適用されている点に注意すべきである。短時間で停止させることだけが目的であれば、このような制御にせず、走行方向と反対方向の操作がされているときは、変動制限処理を緩和すれば良いはずである。しかしながら、そのような制御にすると、以下に説明するように、別途の弊害が生ずる。

図６（ａ）は、図５（ａ）と同じグラフである。一方、図６（ｂ）は、走行方向と反対方向の操作がされているときは、変動制限処理を緩和するようにした比較例にける、図６（ａ）と同様のグラフである。

比較例は、時刻ｔ_２〜ｔ_４の時間をより短縮することができている。しかしながら、ｔ_４の時点においてもなお、出力トルクＴが後方になっている結果、更に逆方向へ移動してしまう、いわゆるハンチングが生じている。これでは、自然な操作感覚が得られず、本末転倒である。

比較例のような装置であっても、操作者が熟練すれば、ハンチングを生じずに装置を停止させることができるようになるかもしれないが、装置を旋回させるときに、相当な違和感を生ずる。

例えば、前方へ走行中に右方向へ旋回するときには、操作ハンドル６を握った左手を前方に押し出しつつ、右手を後方に引く操作を行う。このとき、左側は、モータの回転方向と操作方向が一致するのに対し、右側は、それらが逆方向となる。比較例の装置にでは、右車輪が逆回転するまでは、左右のトルク変動制限が全く異なることになる。このことは、操作者の意図した曲率で回転しないことに繋がる。しかも、右車輪が逆回転し始めたとたんに両方のトルク変動制限が同じになる。これでは、自然な操作感覚を達成することは困難である。

一方本実施形態によれば、逆転操作後すぐに出力トルクＴの方向が反転し、その後はトルク変動の制限が左右で同じになるため、違和感なく操作することができる。

本発明にかかる回診用Ｘ線撮影装置の概要を説明する図である。 本発明にかかる操作力検出手段の詳細を説明する図である。 実施形態におけるＣＰＵ基板８のハードウエア構成例を示す図である。 実施形態におけるＣＰＵ基板８で動作するソフトウエア構成例を示す図である。 本実施形態と、従来技術との効果の相違を説明するグラフである。 本実施形態と、比較例との効果の相違を説明するグラフである。

符号の説明

１ 回診用Ｘ線撮影装置
２ 台車
３ Ｘ線管
４ コリメータ
５ 支柱
６ 操作ハンドル
６３ 弾性体
６４ 圧力センサ
７ Ｘ線管保持アーム
８ ＣＰＵ基板
８１ ＣＰＵ
８２ Ａ／Ｄ変換器
８３ ＰＷＭ制御回路
８４ ＦＥＴブリッジ回路
８５ ＲＡＭ
８６ 操作力検出モジュール
８７ トルク計算値算出モジュール
８８ 出力算出モジュール
９ 駆動車輪
９１ タイヤ
９２ モータ
１０ キャスター
Ｔｐ 前回出力
Ｔｌｉｍ 出力変動制限
Ｔ 出力
Ｓ 操作力値
Ｄ 操作の方向と大きさ
Ｔ’ トルク計算値トルク
Ｔ 出力トルク
Ｒ デューティー比

Claims (1)

1. Ｘ線発生装置と、操作ハンドルと、前記操作ハンドルに加えられた操作力を検出する操作力検出手段と、左右一対の駆動車輪と、前記駆動車輪を駆動する回転駆動手段と、
   所定周期毎に、前記検出された操作力に基づいて、トルク計算値を算出するトルク計算値算出手段と、
   前記トルク計算値に時間変動制限処理を施して出力を決定する出力変動制限手段と、
   前記出力に基づいて前記回転駆動手段を制御する駆動制御手段と、
   前記出力を前回出力として記憶する記憶手段とを有し、
   前記時間変動制限処理は、前記トルク計算値の方向と前記前回出力の方向とが同じ場合には、前記トルク計算値に基づいて、前記前回出力との差の絶対値が第一の変動制限値以下になるような前記出力を算出するとともに、
   それ以外の場合には、次の（Ａ）〜（Ｃ）のうちのいずれかの処理を行うことを特徴とする回診用Ｘ線撮影装置。
   （Ａ）前記トルク計算値に基づいて、前記前回出力との差の絶対値が前記第一の変動制限値より大きい第二の変動制限値以下になるような前記出力を算出する。
   （Ｂ）前記トルク計算値に基づいて、絶対値が所定の出力制限値以下になるような前記出力を算出する。
   （Ｃ）前記出力を０とする。
   

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