JP3557006B2

JP3557006B2 - Auxiliary drive in wheelchair

Info

Publication number: JP3557006B2
Application number: JP19501795A
Authority: JP
Inventors: 中村　　秀男; 実北野; 一弘友重; 祐司管
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1995-07-31
Filing date: 1995-07-31
Publication date: 2004-08-25
Anticipated expiration: 2015-07-31
Also published as: JPH0938144A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は車いすにおける補助駆動装置に関し、例えば、人力による人力駆動系に電動モータによる補助駆動系を併せ設けた車いすにおける補助駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、歩行できない入院患者、身障者、高齢者等は、歩行の困難度や、介助者の必要に応じて、使用者の自力走行を目的とした手動車いす（後輪駆動式折りたたみ車いす）か、電動力走行を目的とした電動車いすかを利用していた。
例えば、ハンドリムで駆動できる手動車いすは、方向転換におけるスペースが最小であり、また、折りたたんで使用者の近辺に置くことができるため、病院等で一般的によく利用されるが、上り坂になっている場所や段差のある場所ではハンドリムに加わる力が大きくなり、その都度、介助者の手助けを必要としていた。
【０００３】
また、従来の電動車いすは、人力駆動力は全く使用せず、電動駆動力で走行できるため手足の不自由な人が運転できるが、車体に搭載される電池の消費電力が大であるので容量の大きい電池（例えば、鉛蓄電池）を使用する必要があった。
また、方向転換における走行半径が手動車いすに比べ大きくなり、狭い場所では操作性が悪いという問題があった。
従って、従来の手動車いすに補助駆動装置を組み込むことにより、手動車いすの利点を利用しながら、上り坂になっている場所や段差のある場所でも負荷が軽くなり、従来の電動車いすの電池より小型の電池を使用できる車いす用の補助駆動装置の開発に期待が寄せられている。
【０００４】
従来、電動モータの補助駆動力で走行できる人力駆動装置として、特開平４−１００７９０号公報に記載されているように、人力による駆動系と電動モータによる駆動系とを並列に設け、人力による駆動系にかかる負荷を検出して電動モータの補助駆動力を制御するようにしたものが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平４−１００７９０号公報の人力駆動装置を、車いすのように前後方向（駆動方向）に対して安定性のない車体に適用した場合、例えば、スタート時点、急激な人力駆動トルクが加えられた場合、補助駆動トルクを一定時間遅延させることできてもソフト出力できるよう構成されていないので、急な発進による転倒などが起こりやすく不安定な人力駆動装置になってしまう。
【０００６】
本発明は以上の事情を考慮してなされたもので、例えば、急激な人力駆動トルクに対する補助駆動トルクをソフト出力する構成にして、安定した補助駆動が可能な車いすにおける補助駆動装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の基本構成を示すブロック図である。図１において、本発明は、ハンドリムに加わる人力によって車輪を駆動する人力駆動部１０１と、ハンドリムに加わる人力による駆動トルクを検出する人力トルク検出部１０２と、電動モータによって車輪を補助駆動する電動駆動部１０３と、人力トルク検出部１０２の検出出力に対応して電動駆動部に補助駆動トルクを発生させるモータ制御部１０４とを備えた車いすにおいて、
人力トルク検出部１０２の出力を所定周期でサンプリングして取り込み、その出力と直前のサンプリング出力との差出力を２以上の整数であるＮで分割した値に相当する出力を発生させ、この分割された出力に応じて電動モータの補助駆動トルクを制御することを特徴とする車いすにおける補助駆動装置である。
【０００８】
車輪の回転速度を検出する速度検出部１０５と、走行速度と人力駆動トルクに対応する補助駆動トルクの出力特性を予め記憶した定常出力特性記憶部１０６と、前記人力トルク検出部１０２で検出された人力トルク検出出力と速度検出部１０５で検出された速度検出出力を所定周期でサンプリングし定常出力特性記憶部１０６に記憶した出力特性から人力駆動トルクに対応する補助駆動トルクを算出する算出部１０７と、所定周期で算出した補助駆動トルクの値を２個分づつ更新記憶してその差をＮ分割し、１／Ｎ周期ごとの補助駆動トルクとして変換する変換部１０８とをさらに備え、前記モータ制御部１０４は変換された補助駆動トルクが前記電動駆動部１０３に出力されるよう電動モータを制御するよう構成する。
【０００９】
本発明において、人力駆動部１０１とは、人力によって車輪を回転駆動するための装置を意味し、ハンドリムのことである。
人力トルク検出部１０２は、例えば、ハンドリムから駆動輪に加えられる人力駆動トルク（人力駆動力）に応じた機械的圧力や変形量を電気信号に変換する、圧力センサ、磁気抵抗素子、歪みゲージ、ポテンショメータ、差動トランス等で構成される。
【００１０】
電動駆動部１０３の補助駆動トルク（補助駆動力）とは、電動モータに生じるモータ駆動トルクを意味し、この電動モータは、永久磁石励磁型の直流ブラシモータ、ブラシレスモータ、フラットモータ等で構成される。
車輪の回転速度を検出する速度検出部１０５は、タコジェネレータ、フォトカプラ、ホールＩＣ等で構成される。
モータ制御部１０４、定常出力特性記憶部１０６、算出部１０７、変換部１０８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏポート、タイマ、Ａ／Ｄコンバータからなるマイクロコンピュータで構成される。
【００１１】
特に、定常出力特性記憶部１０６は、この中のＲＯＭが用いられる。また、ＲＯＭは、ＣＰＵが、モータ制御部１０４、算出部１０７、変換部１０８として機能するプログラムが格納している。
また、ＲＡＭには、ＣＰＵで処理されるデータ（例えば、検出信号、算出した補助駆動トルク等）が更新記憶される。
電動駆動部１０３の電動モータの駆動電源として、例えば、再充電可能なニッカド（Ｎｉ−ｃｄ）電池の２４Ｖ、２．５Ａｈ又は５．０Ａｈ程度の直流電源を用いてもよい。この直流電源は、さらに安定化して上記の各構成部の駆動電源として使用される。
【００１２】
走行スタート時の人力駆動トルクに対応する補助駆動トルクの出力特性を予め記憶したスタート出力特性記憶部１０９をさらに備え、前記算出部１０７は、走行スタート時の所定時間は人力トルク検出部によって検出された人力トルク検出出力とスタート出力特性記憶部１０９に記憶した出力特性とから人力駆動トルクに対応する補助駆動トルクを算出するよう構成されることが好ましい。
スタート出力特性記憶部１０９は、前記マイクロコンピュータ内のＲＯＭで構成される。
【００１３】
前記電動モータの駆動電流を検出する電流検出部１１０をさらに備え、前記モータ制御部１０４は前記電流検出部１１０によって検出された駆動電流から駆動力を求め、前記補助駆動力と一致する駆動力を出力するよう電動モータを制御する構成にすることが好ましい。
電流センサ１１０は、シャント抵抗、ホール素子等で構成される。電動モータをＰＷＭ（パルス幅変調）制御しているときは、電動モータから出力される逆起電力を検出する回路を設けることにより電動モータの回転速度検出センサとしても利用できる。
【００１４】
本発明によれば、人力トルク検出部１０２の出力を所定周期でサンプリングして取り込み、その出力と直前のサンプリング出力との差出力をＮ分割した値に相当する出力を発生させ、この分割された出力に応じて電動モータの補助駆動トルクを制御する。
即ち、算出部１０７により、人力トルク検出部１０２によって検出された人力トルク検出出力と速度検出部１０５によって検出された速度検出出力と定常出力特性記憶部１０６に記憶した出力特性とから人力駆動トルクに対応する補助駆動トルクを所定周期でサンプリングして算出し、さらに、変換部１０８により、所定周期で算出した補助駆動トルクの値を２個分づつ更新記憶してその差をＮ分割し、１／Ｎ周期ごとの補助駆動力として変換される。そして、モータ制御部１０４は、変換された補助駆動トルクが電動駆動部１０３に出力されるよう電動モータを制御する。
従って、車輪に対し急激な人力駆動トルクが加えられても補助駆動トルクをソフト出力できるので、車いすに適用した場合、安定した補助駆動が可能になる。
【００１５】
また、走行スタート時の人力駆動トルクに対応する補助駆動トルクの出力特性を予め記憶したスタート出力特性記憶部１０９をさらに備えた構成にすることにより、前記算出部１０７は、走行スタート時の所定時間は人力トルク検出部１０２によって検出された人力トルク検出出力とスタート出力特性記憶部１０９に記憶した出力特性とから人力駆動トルクに対応する補助駆動トルクを算出することができる。
特に、走行スタート時と通常走行において、人力駆動力に対する補助駆動力の出力特性記憶部を使いわけて算出しているため、さらに、補助駆動トルクをソフト出力することが可能になり、安全性が向上する。
【００１６】
また、前記電動モータの駆動電流を検出する電流検出部１１０をさらに備えた構成にすることにより、モータ制御部１０４は、電流検出部１１０によって検出された駆動電流からモータ駆動トルクを求め、算出された補助駆動トルクと一致するよう電動モータを制御することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図に示す実施例に基づいて本発明を詳述する。なお、本発明はこれによって限定されるものでない。本発明は、主として、車いすに適用して、安定した補助駆動を可能にする。
【００１８】
図２は本発明の車いすにおける補助駆動装置を適用した車いすの外観図である。図２において、図２（ａ）は車いすの平面図、図２（ｂ）は車いすの側面図、図２（ｃ）は車いすの背面図である。図２（ｄ）はバッテリの外観図である。図２（ｅ）は操作パネルの外観図である。
１は車いす本体である。２は車いす本体１を駆動する駆動輪で、左右に駆動輪２ａ、２ｂが設けられている。
３は人力よって左右の駆動輪２ａ、２ｂを駆動するハンドリム（人力駆動部）で、左右の駆動輪２ａ、２ｂにハンドリム３ａ、３ｂが設けられている。
４はフレームであり、左側フレーム４ａ、右側フレーム４ｂ、たすき４ｃ等で構成されている。

【００１９】
５は自在輪であり、左右フレーム４ａ、４ｂの下端部に自在輪５ａ、５ｂが設けられている。
６は握りであり、左右フレーム４ａ、４ｂの上端部に握り７ａ、７ｂが設けられている。
７は使用者の体を支えるシートユニットであり、座７ａ、背もたれ７ｂ、左右のひじ当て７ｃ１〜７ｃ２、左右のフットレスト７ｄ１〜７ｄ２及びその他の付属品からなる。
【００２０】
８は駆動輪２ａ、２ｂの回転軸に設けられるハブであり、左右のハブ８ａ、８ｂ内には、図示しない人力トルクセンサ（人力トルク検出部）、速度センサ（速度検出部）、電流センサ（電流検出部）の各検出部と、電動モータ、減速機構、クラッチからなる電動駆動部、マイクロコンピュータを搭載した制御回路基板等がそれぞれぞ内蔵されている。
９はバッテリ（直流電源）であり、例えば、再充電可能なニッカド（Ｎｉ−ｃｄ）電池の２４Ｖ、２．５Ａｈ又は５．０Ａｈ程度の電池で構成され、左右フレーム４ａ、４ｂの側面または背もたれ７ｂに設けられる（図２（ｄ）、参照）。
１０はバッテリ９の電力供給をＯＮ／ＯＦＦするＯＮ／ＯＦＦスイッチと、ＯＮ／ＯＦＦ状態を表示するＬＥＤを備えた操作ボックスであり、例えば、ひじ当て７ｃの近辺に設けられる（図２（ｅ）、参照）。
図２において、駆動輪２ａ、２ｂを制動またはロックする手動ブレーキについては図示していないが、駆動輪２ａ、２ｂの前部に備えている。
【００２１】
図３は本発明の人力走行車における補助駆動装置を適用した車いすの制御回路を示すブロック図である。図３において、３０１ａは左側のハンドリム３ａに加えられる前進／後進の人力駆動トルク（人力駆動力）を検出する人力トルクセンサであり、３０１ｂは右側のハンドリム３ｂに加えられる前進／後進の人力駆動力を検出する人力トルクセンサである。この人力トルクセンサ３０１ａ、３０１ｂは、可変インダクタンス型の圧力センサを用いることが、無接触で、小さい機械的変位を精度良く電気信号に変換できる点で好ましい。
３０２ａは左側の駆動輪２ａを駆動する電動モータであり、３０２ｂは右側の駆動輪２ｂを駆動する電動モータである。
この電動モータ３０２ａ、３０２ｂは、永久磁石励磁型の直流ブラシモータを用いることが回転速度、パワー等の点で好ましい。
【００２２】
３０３ａは左側の駆動輪２ａ（又は電動モータ３０２ａ）の回転速度を検出する速度センサであり、３０３ｂは右側の駆動輪２ｂ（又は電動モータ３０２ｂ）の回転速度を検出する速度センサである。この速度センサ３０３ａ、３０３ｂはフォトカプラ、ホールＩＣ等で構成される。
車輪の走行速度Ｓ（ｋｍ／ｈ）は、駆動輪（又は電動モータ）の回転速度（ｎ／ｓ）と、駆動輪の半径ｒと、Ｓ＝２πｒｎ／３６００の式から求められる。
【００２３】
３０４ａは左側の電動モータ３０２ａの駆動電流Ｉａを検出する電流センサであり、３０４ｂは右側の電動モータ３０２ｂの駆動電流Ｉｂを検出する電流センサである。この電流センサ３０４ａ、３０４ｂは、シャント抵抗、ホールＩＣ等で構成される。
電動モータ３０２ａ，３０２ｂの駆動トルクＦａ，Ｆｂは、Ｆａ＝Ｋ・Ｉａ，Ｆｂ＝Ｋ・Ｉｂ（Ｋは定数）の式から求められる。
【００２４】
３０５はコントローラであり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏポート、タイマ、Ａ／Ｄコンバータ、カウンタからなるマイクロコンピュータで構成され、モータ制御部、定常出力特性記憶部（定常出力特性テーブル）、スタート出力特性記憶部（スタート出力特性テーブル）、算出部、変換部として機能する。
走行スタート時の人力駆動トルクに対する補助駆動トルクのスタート出力特性を予め記憶したスタート出力特性テーブル、走行速度と人力駆動トルクに対応する補助駆動トルクの出力特性を予め記憶した定常出力特性テーブルは、ＲＯＭで構成される。
また、ＲＯＭには、モータ制御部、算出部、変換部として機能するプログラムが格納されている。また、ＲＡＭには、ＣＰＵで処理されるデータが更新記憶される。
【００２５】
また、Ａ／Ｄコンバータは、人力トルクセンサ３０１ａ、３０１ｂによって検出される前進／後進の人力駆動力信号を所定周期でサンプリングし、Ａ／Ｄ（アナログ−デジタル）変換して、前進／後進の人力駆動力データに変換する。電流センサ３０４ａ、３０４ｂによって検出される駆動電流Ｉａ、Ｉｂも、同様に駆動電流信号を所定周期でサンプリングし、Ａ／Ｄ（アナログ−デジタル）変換して、電動モータの電動駆動トルクデータに変換する。
カウンタは、速度センサ３０３ａ、３０３ｂによって検出される回転速度信号をカウントして、走行速度データに変換する。
【００２６】
３０６ａは左側の電動モータ３０２ａを駆動するモータ駆動回路であり、３０６ｂは右側の電動モータ３０２ｂを駆動するモータ駆動回路である。
モータ駆動回路３０６ａ（３０６ｂ）は、スイッチング用のトランジスタＱ１ａ〜Ｑ４ａ（Ｑ１ｂ〜Ｑ４ｂ）のブリッジとそのトランジスタを保護するダイオードＤ１ａ〜Ｄ４ａ（Ｄ１ｂ〜Ｄ４ｂ）のブリッジで構成されている。
【００２７】
３０７ａはモータ駆動回路３０６ａが左側の電動モータ３０２ａを前進駆動させるための前進駆動回路であり、３０７ｂはモータ駆動回路３０６ｂが右側の電動モータ３０２ｂを前進駆動させるための前進駆動回路である。
前進駆動回路３０７ａ（３０７ｂ）は、コントローラ３０５から前進駆動信号を受けると、例えば、トランジスタＱ１ａとＱ４ａ（Ｑ１ｂとＱ４ｂ）をオンして電動モータ３０２ａ（３０２ｂ）を時計方向に駆動させる。
このとき、コントローラ３０５は、人力トルクセンサ３０１ａ（３０１ｂ）によって検出される人力トルク検出信号から補助駆動トルクを、電流センサ３０４ａ（３０４ｂ）によって検出される駆動電流Ｉａ（Ｉｂ）から電動モータの前進駆動トルクを、それぞれ算出し、補助駆動トルクと前進駆動トルクが一致するようＰＷＭ（パルス幅変調）制御する。
【００２８】
３０８ａはモータ駆動回路３０６ａが左側の電動モータ３０２ａを後進駆動させるための後進駆動回路であり、３０８ｂはモータ駆動回路３０６ｂが右側の電動モータ３０２ｂを後進駆動させるための後進駆動回路である。
後進駆動回路３０８ａ（３０８ｂ）は、コントローラ３０５から後進駆動信号を受けると、例えば、トランジスタＱ２ａとＱ３ａ（Ｑ２ｂとＱ３ｂ）をオンして電動モータ３０２ａ（３０２ｂ）を反時計方向に駆動させる。
このとき、コントローラ３０５は、人力トルクセンサ３０１ａ（３０１ｂ）によって検出される人力トルク検出信号から補助駆動トルクを、電流センサ３０４ａ（３０４ｂ）によって検出される駆動電流Ｉａ（Ｉｂ）から電動モータの後進駆動トルクを、それぞれ算出し、補助駆動トルクと後進駆動トルクが一致するようＰＷＭ（パルス幅変調）制御する。
【００２９】
３０９は電動モータ３０２ａ、３０２ｂを発電制動する発電制動回路である。発電制動回路３０９は、コントローラ３０５より停止信号を受けると、例えば、トランジスタＱ３ａとＱ４ａ（Ｑ３ｂとＱ４ｂ）を所定時間、ＯＮ／ＯＦＦ制御して電動モータ３０２ａ（３０２ｂ）を発電制動する。
３１０はバッテリであり、例えば、再充電可能なニッカド（Ｎｉ−ｃｄ）電池の２４Ｖ、２．５Ａｈ又は５．０Ａｈ程度の電池で構成される。
３１１は定電圧回路であり、例えば、５ＶのレギュレータＩＣで構成され、バッテリ電圧２４Ｖを５Ｖの定電圧に変換し、コントローラ３０５、人力トルクセンサ３０１ａ、３０１ｂ、速度センサ３０３ａ、３０３ｂ等に供給する。
３１２はバッテリ３１０の電力供給をＯＮ／ＯＦＦするＯＮ／ＯＦＦスイッチであり、ＯＮするとスイッチング回路３０６ａ、３０６ｂに２４Ｖ電圧を供給し、ＬＥＤランプ３１３が点灯する。
【００３０】
ここでは、車いすの制御回路は、電動モータ３０２ａ（３０２ｂ）の可逆回転駆動を可能にして、前進走行時と後進走行時の補助駆動ができるように構成しているが、制御回路を簡略化して前進走行時だけ補助駆動できる構成にするようにすることもできる。また、電動モータ３０２ａ（３０２ｂ）の減速機構と駆動輪の伝動機構を電気的に接続する電磁クラッチを備え、電源をＯＦＦしたときは、通常の車いすとして使用できる構成にしてもよい。
【００３１】
図４は本発明の補助駆動トルク算出処理を示すフローチャートである。図４において、
ステップ４０１：人力トルクセンサ３０１ａ（３０１ｂ）で検出した前進／後進の人力駆動トルク信号を、所定周期Ｔで読み取り（サンプリング）、前進／後進の人力駆動トルクデータに変換する（例えば、Ｔ＝１００ｍＳ）。
ステップ４０２：速度センサ３０３ａ（３０３ｂ）で検出した前進／後進の回転速度信号を所定周期Ｔで読み取り（サンプリング）、前進／後進の走行速度データに変換する。
ステップ４０３：車いすの駆動スタート時から所定時間経過したか否かを、タイマで計測し判定する。
【００３２】
ステップ４０４：所定時間（例えば、２秒）内であれば、走行スタート時の人力駆動トルクに対する補助駆動トルクの出力特性を予め記憶したスタート出力特性テーブルを参照し、ステップ４０１で求めた人力駆動力データから補助駆動トルク（アシスト量）を所定周期Ｔに同期して算出する。
図５はスタート出力特性テーブルの補助駆動力の出力特性を示す説明図である。図５において、前進／後進の走行スタート時の０〜２秒間、人力駆動力に対する補助駆動力の比率のＭＡＸを１として直線的に増加させている。人力駆動力に対する補助駆動力の比率、走行スタート時の所定時間は外部ディップスイッチで設定するようにすることもできる。
【００３３】
ステップ４０５：所定時間（例えば、２秒）経過すれば、走行速度と人力駆トルクに対応する補助駆動トルクの出力特性を予め記憶した定常出力特性テーブルを参照し、ステップ４０１で求めた人力駆動トルクデータと、ステップ４０２で求めた走行速度データから補助駆動トルク（アシスト量）を所定周期Ｔに同期して算出する。
図６は定常出力特性テーブルの補助駆動トルクの出力特性を示す説明図である。図６において、例えば、前進速度（走行速度）が４ｋｍ／ｈ以下では補助駆動トルク／人力駆動トルク＝１の割合で一定、４〜６ｋｍ／ｈの間で補助駆動トルクを直線的に減少させている。また、後進速度（走行速度）が０から−６ｋｍ／ｈの間で補助駆動トルク（アシスト量）を直線的に減少させている。
【００３４】
ステップ４０６：前回算出したアシスト量Aと今回算出したアシスト量Bを一定周期Tに同期してRAMに更新記憶する。
ステップ４０７：前回算出したアシスト量Aと今回算出したアシスト量Bの大きさを比較判定する。
ステップ４０８：今回算出したアシスト量Bと前回算出したアシスト量Aに比較して大きいときには、その変化量、C=B-Aを算出する。
ステップ４０９：今回算出したアシスト量Bと前回算出したアシスト量Aに比較して小さいときには、その変化量、C=A-Bを算出する。
ステップ４１０：C／N=D を算出し、更に、変化量CをN等分する。ここで、Nは２以上の整数であり、一定周期をN等分する数値である（例えば、N=5）。

【００３５】
ステップ４１１：アシスト量ＡにＮ等分した変化量Ｄを加減算したアシスト量に変換して、Ｔ／Ｎ周期ごとにモータ制御部（コントローラ内）に出力する。
ステップ４１２：｜Ｂ−Ａ｜＝Ｃ＝ＮＤであるか、否かを判定し、｜Ｂ−Ａ｜＝Ｃになるまで、ステップ４１１に戻り繰り返す。
ステップ４１３：Ａ＝Ｂ＝０であるか、否かを判定し、Ａ＝Ｂ＝０にならば、ステップ４１４に進み、Ａ＝Ｂ＝０でないならば、ステップ４０１に戻り、最終的にステップ４１１で得られるたアシスト量に変換する。
【００３６】
ステップ４１５：アシスト量が０になれば、走行速度＝０であるか、否かを判定し、走行速度＝０ならば、走行停止としてアシスト量の算出を終了する。
走行速度＝０でないならば、ステップ４０１に戻り、ステップ４０１〜ステップ４１４を繰り返す。
このステップ４０１〜ステップ４１４の補助駆動トルク算出処理は電動モータ３０２ａ、３０２ｂについて並列的に行われる。また、前進走行または後進走行についても同じステップ処理である。
急激な人力駆動トルクが加えられても補助駆動トルクをソフト出力できるので、車いすに適用した場合、安定した補助駆動が可能になる。特に、走行スタート時と通常走行において、人力駆動トルクに対する補助駆動トルクの出力特性テーブルを使いわけて算出しているため、さらに、補助駆動トルクをソフト出力することが可能になり、安全性が向上する。
【００３７】
図７は本発明のアシスト量の出力変換を示す説明図である。図７において、同図（１）は所定周期Ｔごとに算出したアシスト量であり、図４のステップ４０１、４０２、４０５で求められる。従来、電動モータの補助駆動トルクで走行できる自転車では、急激な人力駆動トルクが加えられた場合、その変化量が調整されないで、単に人力駆動トルクに対する補助駆動トルクを求めて電動モータを制御していた。
同図（２）はＴ／Ｎ周期ごとに変換したアシスト量であり、図４のステップ４０１〜４１１で求められる。この所定周期Ｔで算出した補助駆動力の値をＲＡＭに２個分ずつ更新記憶しながら、その変化量をＮ等分し、Ｔ／Ｎ周期ごとの補助駆動力として変換してモータ制御部へ出力するので、モータ制御部は、急激な人力駆動トルクが加えられても、その変化量が調整された補助駆動力で電動モータを制御することができる。従って、本発明の走行補助駆動装置を車いすに適用した場合、安定した走行補助駆動が可能になる。
【００３８】
図８は人力トルクセンサの信号処理回路とその信号波形を示す説明図である。図８において、人力センサは、８０１のコイルと８０２のフェライトとからなる可変インダクタンス型のセンサで、フェライト８０２をコイル８０１に平行にしてスライドし、人力の駆動力の大きさに比例してコイル８０１に近づけたり遠ざけたりできる構成にする。
コイル８０１には、コントローラ３０５から同図（Ａ）に示すような波形のパルス電圧が印加される。また、フェライト８０２をコイル８０１に近づけるとコイル８０１のインダクタンスが変化して、同図（Ｂ）で示すような波形の破線になって出力される。出力されたパルス電圧（Ｂ）は、積分回路８０３で積分して、同図（Ｃ）で示すような波形に直流変換され、次の増幅器８０４によって増幅されて、人力駆動力信号としてコントローラ３０５のＩ／Ｏポートに入力される。
【００３９】
コントローラ３０５のＣＰＵは、人力駆動トルク出力を所定周期で取り込み、Ａ／Ｄ変換して、人力駆動トルクデータに変換する。
前進／後進の人力駆動トルクを検出する場合、二つの人力トルクセンサと二つの信号処理回路を設けてもよいが、一つのフェライト８０２のスライド領域を前進／後進の二つに分割できるように構成し、それに伴って検出信号の直流電圧レベルも二つの領域に分割して、前進と後進の人力駆動力信号を判定できるように構成してもよい。
【００４０】
また、本実施例では、１サンプリング期間に変化した人力の変化量をＮ等分し、その値を徐々に加えてソフトスタートさせたが、例えば、２以上のサンプリング期間に変化した変化量を２Ｎ、３Ｎ等分して、更に緩やかにスタートさせる構成にしてもよい。このように構成することで、人力に遅延させてアシスト力を応答させることができるので、人力に少し遅れてモータが駆動する。従って、人力が徐々に上がるときにはそれよりも小さいアシスト力で人力を補助し、人力が最高になったときには人力よりも小さいアシスト量で補助される。そして、人力が下がり始めたときにはモータからのアシスト力が最高になるため、滑らかなアシスト走行を実現することができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、急激な人力駆動トルクが加えられても補助駆動トルクをソフト出力できるので、車いすに適用した場合、安定した補助駆動が可能になる。
特に、走行スタート時と通常走行において、人力駆動トルクに対する補助駆動トルクの出力特性テーブルを使いわけて算出しているため、さらに、補助駆動トルクをソフト出力することが可能になり、安全性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の人力走行車における補助駆動装置を適用した車いすの外観図である。
【図３】本発明の人力走行車における補助駆動装置を適用した車いすの制御回路を示すブロック図である。
【図４】本発明の補助駆動トルク算出処理を示すフローチャートである。
【図５】スタート出力特性テーブルの補助駆動トルクの出力特性を示す説明図である。
【図６】定常出力特性テーブルの補助駆動トルクの出力特性を示す説明図である。
【図７】本発明のアシスト量の出力変換を示す説明図である。
【図８】人力トルクセンサの信号処理回路とその信号波形を示す説明図である。
【符号の説明】
１車いす本体
２駆動輪
３ハンドリム
４フレーム
５自在輪
６握り
７シートユニット
８ハブ
９バッテリ
１０操作ボックス
３０１ａ、３０１ｂ人力トルクセンサ
３０２ａ、３０２ｂ電動モータ
３０３ａ、３０３ｂ速度センサ
３０４ａ、３０４ｂ電流センサ
３０５コントローラ
３０６ａ、３０６ｂモータ駆動回路
３０７ａ、３０７ｂ前進駆動回路
３０８ａ、３０８ｂ後進駆動回路
３０９発電制動回路
３１０バッテリ
３１１定電圧回路
３１２ＯＮ／ＯＦＦスイッチ
３１３ＬＥＤランプ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an auxiliary drive device in a wheelchair, for example, an auxiliary drive device in a wheelchair in which an auxiliary drive system using an electric motor is provided in addition to a human-powered drive system using human power.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, for inpatients who are unable to walk, disabled people, elderly people, etc., manual wheelchairs (rear-wheel drive folding wheelchairs) for the purpose of user self-running or electric driving, depending on the difficulty of walking and the needs of the assistant An electric wheelchair for the purpose of power driving was used.
For example, manual wheelchairs that can be driven by hand rims are generally used in hospitals and the like because they have the smallest space for turning, and can be folded and placed near the user. The power applied to the hand rim increased in places where there was a step or where there was a level difference, and each time the assistance of the assistant was required.
[0003]
In addition, the conventional electric wheelchair does not use human driving force at all, and it can be driven by an electric driving force so that it can be operated by a person with a disability in the limbs. However, since the power consumption of the battery mounted on the vehicle body is large, the capacity Large batteries (for example, lead-acid batteries) had to be used.
In addition, there is a problem that the traveling radius in the direction change is larger than that of a manual wheelchair and the operability is poor in a narrow place.
Therefore, by incorporating an auxiliary drive device into a conventional manual wheelchair, the load on the uphill or stepped area is reduced while taking advantage of the manual wheelchair, making it smaller than the battery of a conventional electric wheelchair. The development of an auxiliary drive device for wheelchairs that can use these batteries is expected.
[0004]
Conventionally, as a human-powered driving device capable of traveling with an auxiliary driving force of an electric motor, as described in JP-A-4-100790, a driving system by human power and a driving system by an electric motor are provided in parallel, and driving by human power There is known a system in which the load applied to the system is detected to control the auxiliary driving force of the electric motor.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the human-powered driving device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 4-100790 is applied to a vehicle body that is not stable in the front-rear direction (driving direction) like a wheelchair, for example, a sudden human-powered driving torque is applied at the start time. In such a case, since the auxiliary drive torque can be delayed for a certain period of time, it is not configured to be able to output the software, so that a fall due to a sudden start is likely to occur, resulting in an unstable human power drive device.
[0006]
The present invention has been made in consideration of the above circumstances. For example, the present invention provides an auxiliary drive device in a wheelchair capable of performing stable auxiliary drive by providing a software output of an auxiliary drive torque with respect to a rapid human drive torque. It is.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
FIG. 1 is a block diagram showing the basic configuration of the present invention. Referring to FIG. 1, the present invention relates to a human power drive unit 101 that drives a wheel by human power applied to a hand rim, a human power torque detection unit 102 that detects a drive torque generated by human power applied to the hand rim, and an electric drive that auxiliary drives the wheel by an electric motor. In a wheelchair provided with a unit 103 and a motor control unit 104 that generates an auxiliary drive torque in the electric drive unit in response to the detection output of the human torque detection unit 102,
The output of the human torque detection unit 102 is sampled and taken at a predetermined cycle, and an output corresponding to a value obtained by dividing the difference output between the output and the immediately preceding sampling output by N which is an integer of 2 or more is generated. The auxiliary drive device for the wheelchair is characterized in that the auxiliary drive torque of the electric motor is controlled according to the output.
[0008]
Detected by a speed detection unit 105 that detects the rotational speed of the wheel, a steady output characteristic storage unit 106 that stores in advance the output characteristics of the auxiliary drive torque corresponding to the travel speed and the human drive torque, and the human torque detection unit 102 A calculation unit 107 that calculates the auxiliary driving torque corresponding to the human driving torque from the output characteristics stored in the steady output characteristic storage unit 106 by sampling the human torque detection output and the speed detection output detected by the speed detection unit 105 at a predetermined period; A conversion unit 108 that updates and stores two auxiliary drive torque values calculated in a predetermined cycle, divides the difference into N, and converts the difference into auxiliary drive torques for each 1 / N cycle, and the motor control The unit 104 is configured to control the electric motor so that the converted auxiliary driving torque is output to the electric driving unit 103.
[0009]
In the present invention, the human power drive unit 101 means a device for rotating and driving a wheel by human power, and is a hand rim.
The manual torque detector 102 is, for example, a pressure sensor, a magnetoresistive element, a strain gauge, which converts mechanical pressure and deformation amount corresponding to the manual drive torque (human power drive force) applied from the hand rim to the drive wheel into an electrical signal. It consists of a potentiometer, a differential transformer, etc.
[0010]
The auxiliary drive torque (auxiliary drive force) of the electric drive unit 103 means a motor drive torque generated in the electric motor, and this electric motor includes a permanent magnet excitation type DC brush motor, a brushless motor, a flat motor, and the like. The
The speed detection unit 105 that detects the rotational speed of the wheel includes a tacho generator, a photocoupler, a Hall IC, and the like.
The motor control unit 104, the steady output characteristic storage unit 106, the calculation unit 107, and the conversion unit 108 are configured by a microcomputer including a CPU, a ROM, a RAM, an I / O port, a timer, and an A / D converter.
[0011]
In particular, the steady output characteristic storage unit 106 uses the ROM therein. The ROM stores a program in which the CPU functions as the motor control unit 104, the calculation unit 107, and the conversion unit 108.
In addition, data processed by the CPU (for example, detection signals, calculated auxiliary driving torque, etc.) is updated and stored in the RAM.
As a drive power source of the electric motor of the electric drive unit 103, for example, a rechargeable Ni-cd battery 24V, 2.5 Ah or 5.0 Ah DC power source may be used. This direct current power supply is further stabilized and used as a drive power supply for each of the above components.
[0012]
It further includes a start output characteristic storage unit 109 that stores in advance an output characteristic of an auxiliary driving torque corresponding to the human driving torque at the start of traveling, and the calculation unit 107 detects the predetermined time at the start of traveling by the human torque detecting unit. It is preferable that the auxiliary driving torque corresponding to the human power driving torque is calculated from the human power torque detection output and the output characteristics stored in the start output characteristics storage unit 109.
The start output characteristic storage unit 109 is composed of a ROM in the microcomputer.
[0013]
The motor control unit 104 further includes a current detection unit 110 that detects a drive current of the electric motor, and the motor control unit 104 obtains a drive force from the drive current detected by the current detection unit 110 and generates a drive force that matches the auxiliary drive force. It is preferable that the electric motor be controlled to output.
The current sensor 110 includes a shunt resistor, a hall element, and the like. When the electric motor is controlled by PWM (Pulse Width Modulation), a circuit for detecting the counter electromotive force output from the electric motor can be provided so as to be used as a rotational speed detection sensor for the electric motor.
[0014]
According to the present invention, the output of the human torque detection unit 102 is sampled and captured at a predetermined cycle, and an output corresponding to a value obtained by dividing the difference output between the output and the immediately preceding sampling output by N is generated. The auxiliary drive torque of the electric motor is controlled according to the output.
That is, the calculation unit 107 converts the human torque detection output detected by the human power torque detection unit 102, the speed detection output detected by the speed detection unit 105, and the output characteristics stored in the steady output characteristic storage unit 106 into human power driving torque. The corresponding auxiliary drive torque is sampled and calculated at a predetermined cycle, and further, the conversion unit 108 updates and stores two auxiliary drive torque values calculated at the predetermined cycle, and divides the difference into N. It is converted as an auxiliary driving force every N cycles. The motor control unit 104 controls the electric motor so that the converted auxiliary drive torque is output to the electric drive unit 103.
Accordingly, the auxiliary driving torque can be output in a soft manner even when a sudden human driving torque is applied to the wheels, so that stable auxiliary driving is possible when applied to a wheelchair.
[0015]
The calculation unit 107 further includes a start output characteristic storage unit 109 that stores in advance the output characteristic of the auxiliary driving torque corresponding to the manpower driving torque at the start of traveling, so that the calculation unit 107 can perform the predetermined time at the start of traveling. The auxiliary driving torque corresponding to the human power driving torque can be calculated from the human power torque detection output detected by the human power torque detection unit 102 and the output characteristic stored in the start output characteristic storage unit 109.
In particular, since the output characteristic storage unit of auxiliary driving force relative to human driving force is calculated separately at the start of driving and normal driving, it is possible to output the auxiliary driving torque softly, and safety is improved. improves.
[0016]
Further, by providing a configuration that further includes a current detection unit 110 that detects the drive current of the electric motor, the motor control unit 104 obtains and calculates the motor drive torque from the drive current detected by the current detection unit 110. The electric motor can be controlled to match the auxiliary driving torque.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the embodiments shown in the drawings. In addition, this invention is not limited by this. The present invention is mainly applied to a wheelchair to enable stable auxiliary driving.
[0018]
FIG. 2 is an external view of a wheelchair to which the auxiliary drive device for a wheelchair according to the present invention is applied. 2A is a plan view of the wheelchair, FIG. 2B is a side view of the wheelchair, and FIG. 2C is a rear view of the wheelchair. FIG. 2D is an external view of the battery. FIG. 2E is an external view of the operation panel.
Reference numeral 1 denotes a wheelchair body. Reference numeral 2 denotes a driving wheel for driving the wheelchair body 1, and driving wheels 2a and 2b are provided on the left and right.
Reference numeral 3 denotes a hand rim (manpower drive unit) that drives the left and right drive wheels 2a, 2b by human power, and the left and right drive wheels 2a, 2b are provided with hand rims 3a, 3b.
Reference numeral 4 denotes a frame, which is composed of a left frame 4a, a right frame 4b, a basket 4c, and the like.

[0019]
5 is a free wheel, and free wheels 5a and 5b are provided at lower ends of the left and right frames 4a and 4b.
A grip 6 is provided with grips 7a and 7b at the upper ends of the left and right frames 4a and 4b.
Reference numeral 7 denotes a seat unit that supports the user's body, and includes a seat 7a, a backrest 7b, left and right elbow pads 7c1 to 7c2, left and right footrests 7d1 to 7d2, and other accessories.
[0020]
Reference numeral 8 denotes a hub provided on the rotation shafts of the drive wheels 2a and 2b. In the left and right hubs 8a and 8b, a human torque sensor (human torque detector), a speed sensor (speed detector), a current sensor (not shown) are provided. Each detection unit of the current detection unit), an electric motor, a speed reduction mechanism, an electric drive unit including a clutch, a control circuit board on which a microcomputer is mounted, and the like are incorporated.
Reference numeral 9 denotes a battery (DC power supply), which is composed of, for example, a rechargeable NiCd battery of about 24 V, 2.5 Ah, or 5.0 Ah, and the side or backrest 7b of the left and right frames 4a, 4b. (See FIG. 2D).
An operation box 10 includes an ON / OFF switch for turning on / off the power supply of the battery 9 and an LED for displaying the ON / OFF state, and is provided, for example, in the vicinity of the elbow rest 7c (FIG. 2 (e)). ,reference).
In FIG. 2, a manual brake for braking or locking the drive wheels 2a, 2b is not shown, but is provided at the front of the drive wheels 2a, 2b.
[0021]
FIG. 3 is a block diagram showing a wheelchair control circuit to which the auxiliary drive device in the human-powered vehicle of the present invention is applied. In FIG. 3, reference numeral 301a denotes a human power torque sensor that detects forward / reverse human power driving torque (human power driving force) applied to the left hand rim 3a, and 301b denotes forward / reverse human power driving force applied to the right hand rim 3b. It is a human-powered torque sensor that detects It is preferable to use a variable inductance type pressure sensor for the human torque sensors 301a and 301b in that a small mechanical displacement can be accurately converted into an electric signal without contact.
Reference numeral 302a denotes an electric motor that drives the left driving wheel 2a, and reference numeral 302b denotes an electric motor that drives the right driving wheel 2b.
The electric motors 302a and 302b are preferably permanent magnet excitation type DC brush motors in terms of rotational speed, power, and the like.
[0022]
303a is a speed sensor that detects the rotational speed of the left driving wheel 2a (or electric motor 302a), and 303b is a speed sensor that detects the rotational speed of the right driving wheel 2b (or electric motor 302b). The speed sensors 303a and 303b are composed of photocouplers, Hall ICs, and the like.
The traveling speed S (km / h) of the wheel is obtained from the rotational speed (n / s) of the driving wheel (or electric motor), the radius r of the driving wheel, and the formula S = 2πrn / 3600.
[0023]
304a is a current sensor that detects the drive current Ia of the left electric motor 302a, and 304b is a current sensor that detects the drive current Ib of the right electric motor 302b. The current sensors 304a and 304b are constituted by a shunt resistor, a Hall IC, or the like.
The drive torques Fa and Fb of the electric motors 302a and 302b are obtained from the formulas Fa = K · Ia and Fb = K · Ib (K is a constant).
[0024]
305 is a controller, which is composed of a microcomputer comprising a CPU, ROM, RAM, I / O port, timer, A / D converter, and counter, motor control unit, steady output characteristic storage unit (steady output characteristic table), start It functions as an output characteristic storage unit (start output characteristic table), a calculation unit, and a conversion unit.
A start output characteristic table in which the start output characteristic of the auxiliary driving torque with respect to the human driving torque at the start of traveling is stored in advance, and a steady output characteristic table in which the output characteristic of the auxiliary driving torque corresponding to the traveling speed and the human driving torque is stored in advance is ROM. Consists of.
The ROM stores programs that function as a motor control unit, a calculation unit, and a conversion unit. In addition, data processed by the CPU is updated and stored in the RAM.
[0025]
Further, the A / D converter samples forward / reverse human power driving force signals detected by the human power torque sensors 301a and 301b at a predetermined cycle, performs A / D (analog-digital) conversion, and performs forward / reverse human power. Convert to driving force data. Similarly, the drive currents Ia and Ib detected by the current sensors 304a and 304b are also sampled at a predetermined cycle, A / D (analog-digital) converted, and converted into electric drive torque data of the electric motor. .
The counter counts rotation speed signals detected by the speed sensors 303a and 303b and converts them into travel speed data.
[0026]
Reference numeral 306a denotes a motor drive circuit that drives the left electric motor 302a, and reference numeral 306b denotes a motor drive circuit that drives the right electric motor 302b.
The motor drive circuit 306a (306b) includes a bridge of switching transistors Q1a to Q4a (Q1b to Q4b) and a bridge of diodes D1a to D4a (D1b to D4b) protecting the transistors.
[0027]
307a is a forward drive circuit for the motor drive circuit 306a to drive the left electric motor 302a forward, and 307b is a forward drive circuit for the motor drive circuit 306b to drive the right electric motor 302b forward.
When the forward drive circuit 307a (307b) receives the forward drive signal from the controller 305, for example, the transistors Q1a and Q4a (Q1b and Q4b) are turned on to drive the electric motor 302a (302b) in the clockwise direction.
At this time, the controller 305 drives the electric motor forward from the auxiliary driving torque from the human power torque detection signal detected by the human power torque sensor 301a (301b) and from the driving current Ia (Ib) detected by the current sensor 304a (304b). Each torque is calculated, and PWM (pulse width modulation) control is performed so that the auxiliary drive torque and the forward drive torque coincide with each other.
[0028]
308a is a reverse drive circuit for the motor drive circuit 306a to drive the left electric motor 302a backward, and 308b is a reverse drive circuit for the motor drive circuit 306b to drive the right electric motor 302b backward.
When the reverse drive circuit 308a (308b) receives the reverse drive signal from the controller 305, for example, the transistors Q2a and Q3a (Q2b and Q3b) are turned on to drive the electric motor 302a (302b) counterclockwise.
At this time, the controller 305 reverse drive the electric motor from the driving current Ia (Ib) detected by the current sensor 304a (304b) and the auxiliary driving torque from the human torque detection signal detected by the human torque sensor 301a (301b). Each torque is calculated, and PWM (pulse width modulation) control is performed so that the auxiliary drive torque and the reverse drive torque coincide with each other.
[0029]
Reference numeral 309 denotes a power braking circuit that power brakes the electric motors 302a and 302b. When receiving the stop signal from the controller 305, for example, the dynamic braking circuit 309 performs ON / OFF control of the transistors Q3a and Q4a (Q3b and Q4b) for a predetermined time to perform dynamic braking on the electric motor 302a (302b).
Reference numeral 310 denotes a battery, which is composed of, for example, a rechargeable Ni-cd battery of about 24 V, 2.5 Ah, or 5.0 Ah.
Reference numeral 311 denotes a constant voltage circuit, which is composed of, for example, a 5V regulator IC, converts the battery voltage 24V into a constant voltage of 5V, and supplies it to the controller 305, human power torque sensors 301a and 301b, speed sensors 303a and 303b, and the like.
Reference numeral 312 denotes an ON / OFF switch for turning on / off the power supply of the battery 310. When turned on, a 24V voltage is supplied to the switching circuits 306a and 306b, and the LED lamp 313 is lit.
[0030]
Here, the wheelchair control circuit is configured to enable reversible rotational driving of the electric motor 302a (302b) and to perform auxiliary driving during forward travel and reverse travel, but the control circuit is simplified. A configuration in which auxiliary driving is possible only during forward traveling can also be adopted. Further, an electromagnetic clutch that electrically connects the speed reduction mechanism of the electric motor 302a (302b) and the transmission mechanism of the drive wheels may be provided, and the power wheel may be configured to be used as a normal wheelchair when the power is turned off.
[0031]
FIG. 4 is a flowchart showing auxiliary drive torque calculation processing of the present invention. In FIG.
Step 401: The forward / reverse human drive torque signal detected by the human torque sensor 301a (301b) is read (sampled) at a predetermined period T and converted into forward / reverse human drive torque data (for example, T = 100 mS). .
Step 402: The forward / reverse rotational speed signal detected by the speed sensor 303a (303b) is read (sampled) at a predetermined period T and converted into forward / reverse travel speed data.
Step 403: It is determined by measuring with a timer whether or not a predetermined time has elapsed since the start of driving the wheelchair.
[0032]
Step 404: If it is within a predetermined time (for example, 2 seconds), refer to the start output characteristic table in which the output characteristic of the auxiliary driving torque with respect to the human driving torque at the start of traveling is stored in advance, and the human driving force determined in step 401 The auxiliary driving torque (assist amount) is calculated from the data in synchronization with the predetermined period T.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the output characteristics of the auxiliary driving force in the start output characteristics table. In FIG. 5, the ratio of the auxiliary driving force to the human driving force is linearly increased from 0 to 0 to 2 seconds at the start of forward / reverse running. The ratio of the auxiliary driving force to the human driving force and the predetermined time at the start of traveling can be set with an external dip switch.
[0033]
Step 405: When a predetermined time (for example, 2 seconds) elapses, the manpower driving torque obtained in step 401 with reference to the steady output characteristic table in which the output characteristics of the auxiliary driving torque corresponding to the traveling speed and the manpower driving torque are stored in advance. An auxiliary drive torque (assist amount) is calculated in synchronization with the predetermined period T from the data and the travel speed data obtained in step 402.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the output characteristics of the auxiliary drive torque in the steady output characteristics table. In FIG. 6, for example, when the forward speed (traveling speed) is 4 km / h or less, the auxiliary drive torque / manpower drive torque is constant at a ratio of 1, and the auxiliary drive torque is linearly decreased between 4 and 6 km / h. Yes. Further, the auxiliary drive torque (assist amount) is linearly decreased when the reverse speed (travel speed) is between 0 and -6 km / h.
[0034]
Step 406: The assist amount A calculated last time and the assist amount B calculated this time are updated and stored in the RAM in synchronization with a fixed period T.
Step 407: The assist amount A calculated last time is compared with the assist amount B calculated this time.
Step 408: When the assist amount B calculated this time is larger than the assist amount A calculated last time, the change amount C = BA is calculated.
Step 409: When the assist amount B calculated this time is smaller than the assist amount A calculated last time, the change amount C = AB is calculated.
Step 410: Calculate C / N = D, and further divide the variation C into N equal parts. Here, N is an integer equal to or greater than 2, and is a numerical value that divides a certain period into N equal parts (for example, N = 5).

[0035]
Step 411: A change amount D divided into N equal to the assist amount A is converted into an assist amount obtained by adding and subtracting, and output to the motor control unit (inside the controller) every T / N cycle.
Step 412: It is determined whether or not | B−A | = C = ND, and the process returns to Step 411 and repeats until | B−A | = C.
Step 413: It is determined whether or not A = B = 0. If A = B = 0, the process proceeds to step 414. If A = B = 0 is not satisfied, the process returns to step 401, and finally the step. The assist amount obtained in 411 is converted.
[0036]
Step 415: If the assist amount becomes 0, it is determined whether or not the traveling speed = 0, and if the traveling speed = 0, the travel amount is stopped and the calculation of the assist amount is terminated.
If the running speed is not 0, the process returns to step 401 and steps 401 to 414 are repeated.
The auxiliary drive torque calculation processing in steps 401 to 414 is performed in parallel for the electric motors 302a and 302b. The same step process is performed for forward travel or reverse travel.
Since the auxiliary driving torque can be output softly even when a sudden human driving torque is applied, stable auxiliary driving is possible when applied to a wheelchair. In particular, since the output characteristics table of auxiliary driving torque with respect to human power driving torque is calculated separately at the start of driving and normal driving, the auxiliary driving torque can be output softly, improving safety. To do.
[0037]
FIG. 7 is an explanatory diagram showing output conversion of the assist amount according to the present invention. In FIG. 7, (1) in FIG. 7 is the assist amount calculated for each predetermined period T, and is obtained in steps 401, 402, and 405 in FIG. Conventionally, in a bicycle that can run with an auxiliary driving torque of an electric motor, when a sudden human driving torque is applied, the amount of change is not adjusted, and the electric motor is controlled by simply obtaining the auxiliary driving torque with respect to the human driving torque. It was.
FIG. 2B shows the assist amount converted for each T / N period, and is obtained in steps 401 to 411 in FIG. While the auxiliary driving force value calculated at the predetermined period T is updated and stored in the RAM by two, the amount of change is equally divided into N, converted into auxiliary driving force for each T / N period, and sent to the motor controller. Since the output is performed, the motor control unit can control the electric motor with an auxiliary driving force whose amount of change is adjusted even when a rapid human driving torque is applied. Therefore, when the travel assist drive device of the present invention is applied to a wheelchair, stable travel assist drive is possible.
[0038]
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a signal processing circuit of a human-powered torque sensor and its signal waveform. In FIG. 8, the human power sensor is a variable inductance type sensor composed of a coil 801 and a ferrite 802, and the ferrite 802 is slid parallel to the coil 801, and the coil 801 is proportional to the magnitude of the driving force of human power. The structure can be moved closer to or away from
The coil 801 is applied with a pulse voltage having a waveform as shown in FIG. Further, when the ferrite 802 is brought close to the coil 801, the inductance of the coil 801 changes, and a broken line having a waveform as shown in FIG. The output pulse voltage (B) is integrated by the integrating circuit 803, converted into a DC waveform as shown in FIG. 5C, amplified by the next amplifier 804, and used as a human power driving force signal by the controller 305. Input to I / O port.
[0039]
The CPU of the controller 305 takes in human power driving torque output at a predetermined cycle, performs A / D conversion, and converts it into human power driving torque data.
When detecting forward / reverse human driving torque, two human torque sensors and two signal processing circuits may be provided, but the configuration is such that one slide region of the ferrite 802 can be divided into two, forward / reverse. Accordingly, the DC voltage level of the detection signal may also be divided into two regions so that the forward and backward human driving signal can be determined.
[0040]
In this embodiment, the amount of change in human power that has changed in one sampling period is divided into N equal parts, and the value is gradually added to perform a soft start. For example, the amount of change in two or more sampling periods is 2N. A configuration may be adopted in which 3N is equally divided and started more gently. With this configuration, the assist force can be made to respond with a delay due to human power, so the motor is driven slightly later than human power. Accordingly, when the human power gradually increases, the human power is assisted with a smaller assist force, and when the human power reaches the maximum, the human power is assisted with a smaller assist amount. When the human power starts to decrease, the assist force from the motor becomes maximum, so that smooth assist travel can be realized.
[0041]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the auxiliary driving torque can be output in software even when a rapid human driving torque is applied, stable auxiliary driving becomes possible when applied to a wheelchair.
In particular, since the output characteristics table of auxiliary driving torque with respect to human power driving torque is calculated separately at the start of driving and normal driving, the auxiliary driving torque can be output softly, improving safety. To do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration of the present invention.
FIG. 2 is an external view of a wheelchair to which an auxiliary drive device in a human-powered vehicle according to the present invention is applied.
FIG. 3 is a block diagram showing a wheelchair control circuit to which an auxiliary drive device in a human-powered vehicle according to the present invention is applied.
FIG. 4 is a flowchart showing auxiliary drive torque calculation processing of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing output characteristics of auxiliary driving torque in a start output characteristics table.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing output characteristics of auxiliary driving torque in a steady output characteristics table.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing output conversion of assist amounts according to the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a signal processing circuit of a human-powered torque sensor and its signal waveform.
[Explanation of symbols]
1 Wheelchair body
2 Drive wheels
3 Hand rim
4 frames
5 Free wheel
6 handful
7 Seat unit
8 Hub
9 Battery
10 Operation box
301a, 301b Human torque sensor
302a, 302b Electric motor
303a, 303b Speed sensor
304a, 304b Current sensor
305 controller
306a, 306b Motor drive circuit
307a, 307b Forward drive circuit
308a, 308b Reverse drive circuit
309 Power generation braking circuit
310 battery
311 Constant voltage circuit
312 ON / OFF switch
313 LED lamp

Claims

Human power drive unit that drives the wheel by human force applied to the hand rim, human power torque detection unit that detects drive torque by human force applied to the hand rim, electric drive unit that assists driving the wheel by an electric motor, and detection output of the human power torque detection unit In a wheelchair provided with a motor control unit that generates an auxiliary drive torque in the electric drive unit corresponding to
The output of the human torque detector is sampled and captured at a predetermined cycle, and an output corresponding to a value obtained by dividing the difference output between the output and the immediately preceding sampling output by N that is an integer of 2 or more is generated. An auxiliary drive device for a wheelchair characterized by controlling an auxiliary drive torque of an electric motor according to an output.

A speed detector for detecting the rotational speed of the wheel;
A steady output characteristic storage unit that pre-stores output characteristics of auxiliary driving torque corresponding to travel speed and human power driving torque;
Auxiliary driving torque corresponding to the human power driving torque from the output characteristics stored in the steady output characteristic storage section after sampling the human power torque detection output detected by the human power torque detection section and the speed detection output detected by the speed detection section at a predetermined cycle. A calculation unit for calculating
A conversion unit that updates and stores two auxiliary driving torque values calculated in a predetermined cycle, divides the difference into N, and converts the difference into auxiliary driving torques for each 1 / N cycle; and the motor control unit includes: The auxiliary drive device for a wheelchair according to claim 1, wherein the electric motor is controlled so that the converted auxiliary drive torque is output to the electric drive unit.

A start output characteristic storage unit that stores in advance an output characteristic of auxiliary driving torque corresponding to the human driving torque at the start of traveling is further provided, and the calculation unit is configured to detect the human power detected by the human torque detecting unit for a predetermined time at the start of traveling. The auxiliary drive device for a wheelchair according to claim 2, wherein the auxiliary drive torque corresponding to the human drive torque is calculated from the torque detection output and the output characteristic stored in the start output characteristic storage unit.

The motor control unit further includes a current detection unit that detects a drive current of the electric motor, and the motor control unit obtains a motor drive torque from the drive current detected by the current detection unit, and outputs a motor drive torque that matches the auxiliary drive torque. The auxiliary drive device for a wheelchair according to any one of claims 1 to 3, wherein the electric motor is controlled to do so.