JP4350811B2 - 補助動力式車椅子 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、片手の操作でも車両前後進動作が可能な補助動力式車椅子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
手動車椅子と電動車椅子との中間的な存在として補助動力付き車椅子が提案されている。この補助動力付き車椅子は、左，右の車輪に間欠的に加えられる人力を検出し、該検出された人力に応じた補助動力を左，右の車輪に加えることによって歩行の不自由な使用者の肉体的な負担を軽減するものであり、使用者は手動車椅子の感覚で操作することができ、精神的苦痛も緩和される。
【０００３】
しかし、上記従来の補助動力付き車椅子は左，右の車輪に同等の人力が加えられることを前提にしているため、使用者が両手の操作力がアンバランスであったり、片方の手だけでしか操作が行えない場合には、上記従来の補助動力付き車椅子は操作性が低いという問題がある。
【０００４】
例えば、従来の補助動力付き車椅子を片方の手で操作する（以下片手漕ぎ操作と記す）場合、車椅子が蛇行しないように足で路面を蹴って進行方向を規制する必要があり、このように従来の補助動力付き車椅子は、片手漕ぎ操作では直進時の使い勝手が悪いという問題がある。
【０００５】
また、片手漕ぎ操作では左, 右何れかに旋回する場合は、片方の足により旋回方向を制御することが必要である。具体的には、右に曲がる時は、足を操舵手段として車椅子の前方路面を蹴って車椅子を右方に回頭させる必要があり、このように、従来の補助動力付き車椅子は、片手漕ぎ操作では旋回時の使い勝手が悪いという問題がある。
【０００６】
これらの問題を解決するものとして本願出願人は、一方の車輪に人力が加えられると、該人力に基づいて設定された補助動力が一方の車輪に加えられるとともに、該一方の車輪に作用する人力と補助動力との和と同等の補助動力が他方の車輪に加えられるようにしたもの（特開平７−１３６２１８号公報参照）を提案している。
【０００７】
上記提案装置では、使用者が片方の手で一方の車輪に人力を加えると、該一方の車輪に作用する人力と補助動力との和と同等の補助動力が他方の車輪に供給されるため、片手漕ぎ操作の場合でも蛇行することなく容易に直進することができ、足による直進制御を不要にすることができる。
【０００８】
また、片手漕ぎ操作の場合の旋回時の使い勝手を向上するものとして、本願出願人は、使用者の旋回の意志を検出する旋回意志検出手段として機能するフートスイッチを右側のステップに設け、該スイッチにより補助力の供給先を指定して、旋回を容易にするもの（特開平７−１３６２１９号公報参照）を提案している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来のフートスイッチにより補助力の供給先を設定して、旋回方向を指定するようにしたものでは、上記フートスイッチの取り付け位置を、使用者の身体的特徴に応じて個別に設定する必要があり、また、このスイッチやスイッチ操作に係る制御装置等が必要となるため、それだけ製造コストがかさむという問題がある。
【００１０】
また、一方の車輪に作用する人力と補助動力との和と同等の補助動力を他方の車輪に供給するものでは、ハンドリムに人力を印加中は両輪より推進力を発生するが、次のストロークのためにハンドリムを持ち替える間は両輪の推進力が消滅してしまうので、例えば右輪を漕いで坂道を直進登坂している時に、足により右旋回しようとすると左輪に供給される駆動力が登坂旋回に必要なトルクより小さくなって走行自体が不能になる場合が発生するという問題もある。
【００１１】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、使用者個別の仕様設定を不要にでき、部品点数の増加や演算, 制御が複雑になってコスト増となることを防止できる補助動力式車椅子を提供することを課題としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、左，右の車輪と、該左，右の車輪に設けられ、人力が入力される左，右のハンドリムと、該左，右のハンドリムに加えられた人力の有無とその入力方向が車両の前進方向，後進方向の何れであるかを検出する左，右の人力検出手段と、上記左，右の車輪に補助動力を供給する左，右の補助動力源と、該左，右の補助動力源を制御する補助動力制御手段とを備えた補助動力式車椅子において、
上記左，右の人力検出手段からの人力方向信号の和に基づいて上記左，右の車輪の目標速度を設定するとともに、該左, 右の車輪の回転速度の合成値を実質的走行速度として検出し、上記補助動力制御手段は、上記左，右の車輪への補助動力が実質的に同等となり、かつ車両の実質的走行速度が上記目標速度となるよう上記補助動力源を速度フィードバック制御することを特徴としている。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１において、上記目標速度を、上記人力の前進方向, 後進方向への入力時間の長さに応じて増加, 減少する目標速度増減手段を設けたことを特徴としている。
【００１４】
なお、上記実質的走行速度とは、車両の実際の移動距離を所要時間で除して求められる走行速度のことであり、また、上記補助動力源を駆動モータとした時のモータ回転速度から求められる走行速度のことである。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１又は２において、上記左，右の補助動力源として左，右の駆動モータを備え、上記補助動力制御手段は、上記左，右の駆動モータを出力トルクが実質的に相等しくなるように制御することを特徴としている。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項１ないし３の何れかにおいて、上記人力検出手段による人力の有無及びその入力方向を判定する際の人力のしきい値が、操作者の最大操作力より十分に小さく設定されており、上記補助動力制御手段は、上記しきい値付近の小さな人力が、上記左，右のハンドリムの両方又は片方に入力された時は、車両の実質的走行速度が上記目標速度となるように上記駆動モータを制御し、上記しきい値より十分に大きな人力が、上記左，右の何れかのハンドリムに入力された時は、車両が該大きな人力に応じた方向に旋回するよう上記駆動モータを制御することを特徴としている。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項２ないし４の何れかにおいて、上記目標速度増減手段は、上記左，右のハンドリムに同方向の人力が入力された時は、上記人力の入力方向及び入力時間に対する目標速度の増減の割合を、片方のハンドリムのみに人力が入力された場合の目標速度の増減の割合と同等以上とし、左，右のハンドリムに逆方向の人力が入力された時は、上記目標速度の増減を停止することを特徴としている。
【００１８】
請求項６の発明は、 請求項２ないし４の何れかにおいて、上記目標速度増減手段は、上記目標速度が０でなく、かつ人力の入力がない場合は、目標速度の絶対値を時間経過とともに０に向けて漸減することを特徴としている。
【００２０】
【発明の作用効果】
請求項１の発明に係る補助動力式車椅子によれば、左，右のハンドリムへの人力の入力方向信号の和に基づいて左，右の車輪の目標速度を設定するとともに、左，右の車輪への補助動力が実質的に同等となるように補助動力源を制御するようにしたので、補助動力は左, 右の両輪に同等に作用し、片手漕ぎ操作の時に車椅子が蛇行することを防止することができる効果がある。
また左, 右車輪の回転速度の合成値を実質的走行速度として用いるとともに、左, 右の補助動力源を補助動力が実質的に同等となるように制御するようにしたので、両輪の補助動力源を、その出力トルクが等しくなるようにかつ回転速度の合成値，具体的には両輪の回転速度の平均値が目標速度となるように制御することとなるため、片手漕ぎや両手の力の大きさがアンバラスな使用者が操作したときの直進走行を安定させることができる効果がある。
【００２１】
請求項２の発明に係る補助動力式車椅子によれば、上記目標速度を、上記人力の前進方向, 後進方向への入力時間の長さに応じて増加, 減少するようにしたので、例えば坂道にかかる等の路面からの負荷が変化した場合でも走行速度が変化することを防止でき、安定して走行することができる効果がある。また、上記目標速度を人力の入力時間の長さに応じて増減するようにしたので、使用者がハンドリムを漕ぐと、該人力の入力状況に応じて目標速度が増加し、好みに応じた走行速度を実現できる効果がある。
【００２２】
請求項３の発明によれば、左，右の補助動力源として左，右の駆動モータを備え、上記補助動力制御手段は、上記左，右の駆動モータを出力トルクが実質的に相等しくなるように制御するので、両輪の回転速度の合成値、具体的には両輪の回転速度の平均値が目標速度となるように制御することとなるため、片手漕ぎや両手の力の大きさがアンバランスな使用者が操作したときの直進走行性を安定させることができる。
【００２３】
請求項４の発明に係る補助動力式車椅子によれば、人力の有無及びその入力方向を判定する際のしきい値を操作者の最大操作力より十分に小さく設定し、上記しきい値付近の小さな人力が入力された時は車両速度を増減するようにしたので、使用者が最大操作力より十分小さい力で操作している間は直進状態を維持したまま容易に加減速を行うことができ効果がある。
また、本発明では、駆動輪とともに回転するハンドリムを人力人力部材とするとともに、しきい値を操作者の最大操作力より十分に小さく設定したので、ハンドリムを不感帯域を超える程度の人力で軽く触れることにより、前後進走行ができ、通常の手動車椅子を片手または両手で小さな力で漕ぐといった感覚の走行が可能となり、使用者の操作性を向上することができる効果がある。
【００２４】
また、使用者が上記しきい値より十分に大きな人力を比較的短時間入力した時は上記目標速度に大きな変化を与えることなく、容易に進路変更を行うことができる。即ち、両輪の回転速度の合成値が目標速度となるように、かつ両輪のトルクが等しくなるように制御したので、一方の車輪にのみ大きい人力が入力された場合でも、合成速度が維持される限り各輪の速度変化が妨げられることはなく、従って容易に旋回することができる。
【００２５】
請求項５の発明に係る補助動力式車椅子によれば、左, 右両側のハンドリムに同方向の人力が入力された時は目標速度の増減の割合を片方のハンドリムのみに人力が入力された場合と同等以上としたので、両手で同方向に軽く漕ぐといった操作によって容易に走行速度を加減でき、通常の手動車椅子に近い感覚での使用が可能となる効果がある。
【００２６】
また、上記ハンドリムに逆方向の人力が入力された時は目標速度の増減を停止するようにしたので、使用者の違和感を回避できる。即ち、使用者は両方のハンドリムに逆向きの人力を入力する場合は通常加減速を望んでいないと考えられるので、このような場合には目標速度の増減を停止することが望ましい。
【００２７】
請求項６の発明に係る補助動力式車椅子によれば、目標速度が０でない時は目標速度の絶対値を時間経過とともに０に向けて漸減するようにしたので、人力の入力がない時は時間とともに減速して停止するため、使用者の使用感を向上することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１ないし図１７は本発明の一実施形態による補助動力式車椅子を説明するための図であり、図１，図２，図３は上記車椅子の側面図，平面図，背面図、図４は上記車椅子の車輪のハブ部分のカバーを取り外した状態を示す正面図、図５は図４のＶ−Ｖ線断面図、図６〜図９は回転トランスを示す図、図１０は車輪に取り付けられたハンドリムを示す図５と同方向の断面図、図１１は上記車椅子の制御システムの全体構成図、図１２，１３はモータの回転数とトルクとの関係を示す制御方式特性図、図１４は上記車椅子の補助動力の制御動作を示すシステムの構成図、図１５は人力検出手段の変形例を示す構成図、図１６は操作方向と方向信号との関係を示す特性図、図１７は左輪への人力の方向信号と目標車速との関係を示す特性図である。
【００３０】
本実施形態に係る補助動力付車椅子１は、既存の折り畳み式手動車椅子に補助動力装置(Power Assist System) を組み付けたものである。この車椅子１は車体の左右に駆動輪としての車輪２を着脱自在に取り付けて構成され、これのパイプ枠状のフレーム３の前後部は左右一対のキャスタ４と車輪２によって移動自在に支持されている。
【００３１】
上記フレーム３の中央部には、乗員が着座すべき布製のシート５（図２及び図３参照）が張設されている。尚、フレーム３は図３に示すように前後一対のクロス部材３ａを有しており、Ｘ字状を成す２本のクロス部材３ａはその交点を軸６によって枢着されている。
【００３２】
上記フレーム３の後部には左右一対のハンドルアーム３ｂが立設されており、各ハンドルアーム３ｂの上端部は後方に折曲され、その折曲部には介助者用のグリップ７が取り付けられている。また、上記ハンドルアーム３ｂの下端には、この車椅子１が後方に倒れることを防止する補助輪８が取り付けられている。
【００３３】
上記フレーム３の上記ハンドルアーム３ｂの中間高さ位置から車体前方に水平に延びる左右一対のアーム３ｃは、その前端部が略直角に折り曲げられて垂直下方に延び、その下端部に上記キャスタ４が回転自在に支持されている。また、上記アーム３ｃの下方に配された左右一対のアーム３ｄの前側部分は、車体前方に向かって斜め下方に延出されており、その延出端（前端部）には左右一対のステップ９が取り付けられている。
【００３４】
上記車輪２は、使用者の手によって回転力（人力）が加えられるハンドリム組立体７０と、該ハンドリム組立体７０から入力された人力の方向に応じてモータからの補助動力を制御する駆動部２０とを備えている。
【００３５】
そして上記フレーム３の車輪中心部にはボス１１が螺挿され、ナット２２ａにより締め付け固定されている。該ボス１１の軸芯部には車軸２２が着脱可能に嵌合挿入されている。該車軸２２は中空状のもので、その軸芯部には車輪着脱用のシャフト２３が軸方向へ移動可能に挿入されている。該シャフト２３の両端部には他の部分よりも大径な頭部２３ａ，２３ｂがそれぞれ固着されている。右側の頭部２３ａの内側端にはコイルバネ２４が配置され、該シャフト２３を車軸２２に対して右側へ付勢している。また、車軸２２には、複数のボール２５，・・・がボス１１の外端部により外周側に抜け出ないようかつ半径方向に移動可能に収容されている。各ボール２５は、シャフト２３の頭部２３ａの大径部２３ｃによって押し拡げられることにより車軸２２の外周から僅かに突出し、これにより、車軸２２は、ボス１１から抜けないようになっている。また、シャフト２３を車軸２２に対して図５の左側へ相対的に移動させることにより、頭部２３ａの小径部２３ｄがボール２５の位置に移動し、ボール２５が内側へ移動できる状態となる。これにより、車軸２２をボス１１から図５の左側へ抜き出すことができ、車輪２全体をフレーム３から取り外すことができる。
【００３６】
上記車軸２２は、略有底円筒状をなす固定プレート３０の中心部を貫通してこれを支持しており、該固定プレート３０には、図示しない回り止め部材が取り付けられている。回り止め部材は、フレーム３と係合することにより、固定プレート３０がフレーム３に対して回転するのを阻止している。
【００３７】
また、上記車軸２２により、略有底円筒状をなす回転側部材としてのハブ５０が軸受５１を介して回転自在に支持されている。このハブ５０の内面には内歯ギヤ５２が固定されており、該内歯ギヤ５２には中間軸３６に一体形成された中間ギヤ３６ａが噛合しており、該中間軸３６は固定側部材としての固定プレート３０の底面に回転自在に支持されている。該中間軸３６は、これに固着された中間プーリ３３，及びベルトを介して上記固定プレート３０に取り付けられた駆動用モータ（補助動力源）３１により回転駆動され、その結果上記ハブ５０が回転する。
【００３８】
上記ハブ５０には、上記ハンドリム組立体７０が所定角度だけ相対回転可能に支持されている。このハンドリム組立体７０は、使用者がハンドリム（人力入力部材）１３に加える接線方向力（人力：単位ｋｇ）をハブ５０に伝達するとともに、加えられる人力の方向を検出する機能を有している。以下、使用者が加える人力を検出する構成について説明する。
【００３９】
図４及び図５において符号７１は、ハンドリム組立体７０の中心部を構成するディスクであり、該ディスク７１は、内輪部７１ａと外輪部７１ｂとを３本のスポーク部７１ｃで一体的に連結した構造を有し、３本のスポークパイプ１５により上記ハンドリム１３に結合されている。また上記ディスク７１はブッシュ５５を介して上記ハブ５０のボス部５０ａにより相対回転可能に支持されている。なお、１２０は上記ディスク７１にスポークパイプ１５を取り付けるためのボルトを示している。
【００４０】
上記ディスク７１のスポーク部７１ｃ，７１ｃ間には、ポテンショメータ７２が配置され、上記ハブ５０の底部５０ｂの外面に半径方向の位置を調整可能に取り付けられている。該ポテンショメータ７２の入力軸７２ａは上記底部５０ｂの内面に突出し、該突出部に長孔７３ａを有するレバー７３が取り付けられている。該レバー７３の長孔７３ａには、ディスク７１に固定されたピン５３が挿入されている。この構成のもとに、ハブ５０とハンドリム組立体７０との相対角度が基準位置から変化すると、ポテンショメータ７２の入力軸７２ａが回転し、そのインピーダンスが回転角度に応じて変化する。
【００４１】
上記スポーク部７１ｃに形成された矩形孔７１ｄ内にはバネガイド５４が配置され、上記ハブ５０の底部５０ｂにボルト締め固定されており、該バネガイド５４内にはコイルバネ５６が収容配置されている。該コイルバネ５６の両端部はスライダ５７を介してスポーク部７１ｃの矩形孔７１ｄの内縁に当接している。この構成のもとに、ハンドリム組立体７０を車輪２に対して相対回転させると、この相対回転角度が後述する人力検出装置によって検出される。
【００４２】
また符号５８はハブ５０とディスク７１との間のガタ止めとして機能する樹脂製のダンパ部材である。このダンパ部材５８は上記バネガイド５４に形成された凸部５４ａの内側に装着されて上記ディスク７１の外輪部７１ｂに対向しており、ボルト５８ａを締め込むことにより上記外輪部７１ｂに摺接し、ハブ５０とディスク７１間のガタを防止する。なお、符号７１ｅは上記ポテンショメータ７２等を覆うカバーであり、図４はこのカバー７１ｅを取り外した状態を示している。
【００４３】
また符号１００は、上記相対回転角度から検出された人力の有無とその入力方向に応じてモータ３１による補助動力を制御する後述のコントローラであり、これは上記固定プレート３０の底部３０ｂの内面に配設されており、このコントローラ１００のＣＰＵ１２６が本発明の補助動力制御手段として機能する。
【００４４】
次に、人力検出装置の構成を説明する。
符号８０は差動回転トランスであり、これは固定プレート３０の中心のボス部３０ａに取り付けられたアウタートランス８１と、可動プレート５０の中心のボス部５０ａに取り付けられたインナートランス８２とから構成されている。
【００４５】
上記アウタートランス８１は、非磁性体かつ絶縁体の樹脂からなる円筒状のボビン８３の外周面に２条の巻溝８３ａ，８３ｂを凹設し、各巻溝８３ａ，８３ｂに１次コイル８４ａ，８４ｂを巻回して構成されている。
【００４６】
また、上記インナートランス８２は、磁性体（例えば軟鉄等の金属）からなる円筒状のコア８５の外周面に２条の保持溝８５ａ，８５ｂを凹設し、該保持溝８５ａ，８５ｂ内に、樹脂製で外周面に凹設された巻溝８６ａ，８７ａに２次コイル８９ａ，８９ｂが巻回されたボビン８６，８７を装着して構成されている。
【００４７】
なお、８６ｂ，８７ｂはボビン８６，８７に形成されたスリット、９０はターミナルであり、各２次コイル８９ａ，８９ｂの端部８９ａ′，８９ｂ′は上記スリット８６ｂ，８７ｂを通って外部に引き出され、上記ターミナル９０に巻き付けられる。
【００４８】
ここで上記アウタートランス８１は、外部磁界を遮断する機能を有する磁性体製のコアを備えていないので、外部金属の影響による磁気的アンバランスを抑制できるように配置することが望ましい。本実施形態では、１次コイル８４ａからハブ５０の底部５０ｂまでの磁気的距離（磁気的影響を考慮した場合の距離）と、１次コイル８４ｂから固定プレート３０の底部３０ｂまでの磁気的距離をできる限り均等にするために、該アウタートランス８１の幅方向中心線Ｄを車輪の幅方向中心線Ｂに対し固定プレート３０側に寸法Ｃだけ偏位させている。
【００４９】
即ち、一般的にはアウタートランス８１の幅方向中心Ｄを車輪幅方向中心Ｂと一致させるのであるが、このようにすると１次コイル８４ａからハブ５０の底部５０ｂまでの距離と、１次コイル８４ｂから固定プレート３０の底部３０ｂまでの距離との差が拡大してしまう。
【００５０】
上記左，右のポテンショメータ７２，７２により検出された左，右輪２，２への人力は左，右の回転トランス８０，８０を介して上記コントローラ１００に入力され、該コントローラ１００は所定の処理手順に従って上記人力に応じた補助動力が得られるよう上記モータ３１への供給電流を制御する。
【００５１】
そして本実施形態では、図５，図１０に示すように、人力を上記左，右のポテンショメータ７２，７２で検出されることなく車輪２に直接伝達するための直接駆動用のハンドリム１２１が、ボルト１２２，ブラケット１２３を介して車輪２に取り付けられている。即ち、ハンドリム１３から入力された人力の有無とその入力方向とは上記ポテンショメータ７２により検出され、補助動力の演算に用いられるが、ハンドリム１２１から入力された人力は補助動力を求める場合の演算に関与しない。
【００５２】
また、上記補助動力式車椅子１の右側の車輪２側には、バッテリ３８が脱着可能に取り付けられており、車体（フレーム）３側には、上記バッテリ３８から電源が供給されるワイヤーハーネス４３が設置されている。
【００５３】
前述のように左右の車輪２は同一構造を有しているため、これらを車体に取り付けると、これらは車体前後方向中心廻りに点対称となる位置関係を保って配置されることとなる。同一構造の左右の車輪２をこのように配置することによって、図３に示すように、左右の車輪２の各内側方に突出する駆動モータ３１が上下方向に互いに段差をもって配されることとなり、当該車椅子１を折り畳んだ際に両駆動モータ３１が互いに干渉することがなく、この結果、車椅子１をコンパクトに、且つ、容易に折り畳むことができる。
【００５４】
上記左右の車輪２を上記要領で車体に取り付けた後は、図３に示すように、各車輪２の固定プレート３０に取り付けられたカプラー３７に、車体側に設置された上記ワイヤーハーネス４３のカプラー４３ａを接続すれば、右側の車輪２に配置された上記バッテリ３８から左側の車輪２に設けられた駆動モータ３１やコントローラ１００等への給電がワイヤーハーネス４３を介してなされる。
【００５５】
上記左，右車輪２，２のハンドリム１３，１３に加えられた人力の有無とその入力方向とは左，右のポテンショメータ７２，７２によって検出され、その検出信号は上記コントローラ１００, １００に入力される。
【００５６】
次に、上記コントローラ１００の構成を図１１に基づいて説明する。
図１１は左，右のコントローラ１００の構成を示すブロック図であり、該各コントローラ１００は、ハンドリム１３に加えられポテンショメータ７２によって検出された人力の有無とその入力方向とを示す人力情報信号を回転トランス８０を介して入力するセンサドライブＩ／Ｆ１２５と、該入力された信号と後述のモータ回転数とに基づいて、上記モータ３１の目標回転速度，目標トルクを演算するＣＰＵ１２６と、モータ３１の出力及び回転数が上記演算された目標値となるように該モータ３１に供給される電流値をフィードバック制御するモータドライバ１２８と、上記左, 右のＣＰＵ１２６，１２６同士を接続する通信Ｉ／Ｆ１２９とを備えている。
【００５７】
なお、Ｔｘは送信データを格納する送信レジスタ、Ｒｘは受信データを格納する受信レジスタをそれぞれ示している。また、上記ポテンショメータ７２による人力の検出しきい値は、使用者の最大操作力より十分に小さく、具体的には人力検出センサにおける不感帯域を示す値程度に設定されており、上記モータ回転数の目標値は、上記ＣＰＵ１２６，１２６の目標速度増減手段としての機能により人力の入力状況に応じて増減される。具体的には人力が前進方向, 後進方向に入力されている時間に比例して増加し、減少する。
【００５８】
上記左, 右の通信Ｉ／Ｆ１２９，１２９同士はシリアルケーブル１３０で接続されており、上述のように入力された左右の人力の大きさやモータ回転数はこの通信Ｉ／Ｆ１２９，１２９を介して左右のコントローラ１００，１００に互いに伝達されるようになっている。
【００５９】
上記左, 右のＣＰＵ１２６, １２６は、ポテンショメータ７２から出力された入力信号と上記左，右のモータ３１の回転数とに基づく所定の制御信号をモータドライバ１２８に出力する。
【００６０】
ここで上記駆動モータ３１の出力制御の方式として、一般に、供給する電圧値を制御する方式と電流値を制御する方式とがある。電圧値制御方式の場合、該駆動モータのトルクτは、図１２に示すように回転数ｎの増加減少に伴って減少増加し、また電流値制御方式の場合には、該モータのトルクτは、図１３に示すように回転数ｎの変化に関わらず一定値を示す特性がある。
【００６１】
上記左，右の駆動モータ３１，３１を、これに供給する電圧値により目標トルクが発生するように制御した場合には、例えば平地の走行中に左, 右何れかに旋回すると、外輪の回転数が内輪の回転数よりΔｎだけ増加するため外輪の駆動力が内輪の駆動力よりΔτだけ小さくなって旋回動作を妨げるように作用し、結果として外力による旋回が行えなくなることが懸念される。
【００６２】
そこで本実施形態の補助動力式車椅子１では、駆動モータ３１を供給する電流値を制御するいわゆる電流値制御方式により目標トルクが発生するよう制御している。そのため、旋回により一方の車輪の回転速度がΔｎだけ高くなった場合でもモータトルクτを保持でき、上述の走行不能の問題を回避できる。
【００６３】
次に、上記実施形態装置の補助動力制御について説明する。
まず、上記ポテンショメータ７２により上記ハンドリム１３を介して入力された人力の入力方向が検出され、方向信号ＦＬ，ＦＲが出力される。具体的には、図１６に示すように、上記入力された人力が前進，後進方向のしきい値を越えたときそれぞれ方向信号＋１，−１として出力される。なお、図１５に示すように、前進，後進でそれぞれオンする前進スイッチ，後進スイッチを設けることも可能である。
【００６４】
そして、上記ポテンショメータ７２からの入力信号、即ち、人力方向信号ＦＬとＦＲとの和に基づいて、左，右両モータ３１，３１の目標回転数（目標重心車速ω※）が速度リミッタにより上限以下に設定される。
【００６５】
上記目標回転数は、上記左，右のＣＰＵ１２６の目標速度増減手段としての機能により、上記検出された人力の操作方向（入力方向）に応じて増減して設定される。ここで左, 右のハンドリム１３, １３に人力が同方向に入力されている時の上記目標回転数の増減の割合は、片方のハンドリムのみに入力されている時より大きく設定される。一方、両方のハンドリムに人力が異なる方向に入力されている時は目標速度の増減が停止されるようになっている。
【００６６】
また、上記ＣＰＵ１２６は時間的減衰手段としても機能する。即ち、目標回転数が０でない時は目標回転数の絶対値が時間経過とともに０に向けて漸減するよう設定されて、人力供給の停止後に補助力が出力され続けるのを回避している。
【００６７】
また、上記コントローラ１００の車両速度検出手段としての機能により、上記左，右の駆動モータ３１の回転数が車両の実質的走行速度として該モータの起電力情報に基づいて検出される。
【００６８】
具体的には、図１４に示すように、巻線抵抗Ｒ，ＬＰＦ（ローパスフィルタ），１／Ｋ×τ演算回路等からなる回転数検出回路１００ａにより、モータ電流値ｉ, 電圧Ｅｍに基づいて左，右のモータ回転数ωＬ，ωＲが算出され、この各回転数が上記レジスタＴｘ，Ｒｘにより左，右のＣＰＵ１２６に互いに伝達され、左，右のコントローラ１００において（ωＬ＋ωＲ）／２が、検出重心速度ＦＢとされる。
【００６９】
そして、上記設定された目標重心車速ω※と、上記モータ回転数ωＬ，ωＲにより求められた検出重心速度ＦＢとの差に基づいて駆動モータ３１への供給電流値が設定される。
【００７０】
即ち、上記設定された目標重心車速ω※と検出重心速度ＦＢとの差と速度ゲインＧとにより電流リミッタを介して電流指令ｉ※が求められ、モータ３１へ供給電流ｉが上記電流指令ｉ※となるようフィードバック制御される。
【００７１】
次に、本実施形態において、使用者が左輪のハンドリム１３に人力を供給した場合の制御を図１７に基づいて具体的に説明する。図１７は左輪のハンドリムへの人力入力方向と目標車速との関係を示す特性図である。
【００７２】
例えば左輪のハンドリムに破線Ｃに示す操作力（人力）が加えられると、実線Ｄに示す方向信号が出力され、実線Ｂに示す目標重心車速ω※が設定されて、走行速度がこの目標重心車速ω※となるようにモータへの供給電流が制御される。
【００７３】
より詳細には、上記操作力が、上記ポテンショメータ７２による人力の検出しきい値を前進方向にわずかに超える小さなものである時は、方向信号は＋１となり、目標車速はその入力時間に比例して増加し、上記しきい値を後進方向にわずかに越える小さなものである時は、方向信号は−１となり、目標速度は入力時間に比例して減少する。また、上記操作力が入力されない場合は、上記目標車速は徐々に減少する。
【００７４】
また、上記ポテンショメータ７２による人力の検出しきい値より十分に大きな操作力Ｃ１が前進方向に入力された時は、該操作力が左車輪に伝達され、破線Ａ１に示すように、該操作力に応じて左輪の回転速度が増大されて、その結果車両は右方向に旋回する。なお、大きな操作力Ｃ２が後進方向に入力された時は破線Ａ２に示すように車両は左方向に旋回する。
【００７５】
また、上記左, 右のハンドリム１３，１３の両方から同方向の人力が入力された時の上記目標速度の増減の割合は、片方のみから人力が入力された場合と同等以上に設定される。
【００７６】
このように本実施形態では、補助動力が実質的に車両の幅方向中央に作用するように、即ち、補助動力が左，右輪に同等に作用するようにしたので、車椅子を片手で漕ぐ場合の直進性能を向上することができる。
【００７７】
また、両輪の回転速度の合成値を実質的走行速度とし、検出速度が目標速度となるよう速度によりフィードバック制御するようにしたので、例えば、坂道にかかる等、路面からの負荷が増加した場合でも走行速度が変化するのを防止でき、登坂時に車体が後退することや降坂時に増速することを防止でき、路面負荷が変化した時の走行を安定させることができる。
【００７８】
また、上記目標車速を人力の操作方向に応じて増減するようにしたので、使用者の運転操作に応じて目標車速を変化させることができ、乗員の好みに応じた使用が可能である。
【００７９】
また、走行中の両モータの出力トルクが実質的に相等しくなるようにモータの動力を制御するようにしたので、左, 右輪に個別の仕様を付加する必要がなく、それだけ制御, 演算を簡単にできる。
【００８０】
また、人力の検出しきい値を操作者の最大操作力より十分に小さく設定し、該しきい値付近の人力で操作された時は車両速度を増減し、上記しきい値より十分に大きい人力で操作された時は車両の旋回方向を変更するようにしたので、直進中に使用者が大きな操作力で操作を行うことにより容易に旋回を行うことができ、旋回時用の特別な回転数制御を行う必要がなく、それだけ制御, 演算を簡単にできる。即ち、両輪の回転速度の合成値が目標速度となるように、かつ両輪のトルクが等しくなるように制御したので、一方の車輪にのみ大きい人力が入力された場合でも、合成速度が維持される限り各輪の速度変化が妨げられることはなく、従って容易に旋回することができる。
【００８１】
また、図１０に示すように人力を左，右の車輪に直接入力するハンドリム１２１を設けたので、このハンドリム１２１を操作すれば補助動力の発生状態に影響を与えることなく走行中の微妙な進路調整が可能である。
【００８２】
また、車速目標値が０でない時は車速目標値の絶対値を時間経過とともに０に向けて漸減するようにしたので、使用者の操作がないときは車速は徐々に減少することとなり車椅子が自走することを防止できる。
【００８３】
なお、上記実施形態では、着座者がハンドリム１３を操作して人力を入力する場合を説明したが、介助者が上記グリップ７を持って車椅子１を移動させたときの介助者の人力に対する補助力として上記モータ３１を駆動するようにしても良く、この場合も使用者である介助者の負担を軽減でき、使用感を向上することができる。
【００８４】
また、上記モータ３１により車輪２を駆動する構造の他に、該車輪２，２及びキャスタ４，４以外の第５の補助車輪（不図示）を車両幅方向に設け、該補助車輪に補助力を印加するようにしても良く、この場合も上記同様の効果を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による補助動力式車椅子の側面図である。
【図２】上記車椅子の平面図である。
【図３】上記車椅子の背面図である。
【図４】上記車椅子の車輪のハブ部分のカバーを取り外した状態を示す正面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】上記車椅子の回転トランス部分の正面図である。
【図７】上記車椅子の回転トランス部分の断面側面図である。
【図８】上記車椅子の回転トランス部分の側面図である。
【図９】上記車椅子の回転トランス部分の斜視図である。
【図１０】上記車輪に直接取り付けられたハンドリムを示す断面図である。
【図１１】上記車椅子の制御システムの全体構成図である。
【図１２】モータの回転数とトルクとの関係を示す電圧制御特性図である。
【図１３】モータの回転数とトルクとの関係を示す電流制御特性図である。
【図１４】上記車椅子の補助動力の制御動作を示すシステムの構成図である。
【図１５】人力入力方向検出装置の変形例を示す構成図である。
【図１６】人力入力方向（操作方向）と人力入力方向信号との関係を示す特性図である。
【図１７】左輪への方向信号と車速との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１ 補助動力式車椅子
２ 車輪
１３ ハンドリム（人力入力部材）
３１ モータ（補助動力源）
７２ ポテンショメータ（人力検出手段）
１００ コントローラ（補助動力制御手段，車両速度検出手段，目標速度増減手段）

Claims (6)

1. 左，右の車輪と、
   該左，右の車輪に設けられ、人力が入力される左，右のハンドリムと、
   該左，右のハンドリムに加えられた人力の有無とその入力方向が車両の前進方向，後進方向の何れであるかを検出する左，右の人力検出手段と、
   上記左，右の車輪に補助動力を供給する左，右の補助動力源と、
   該左，右の補助動力源を制御する補助動力制御手段とを備えた補助動力式車椅子において、
   上記左，右の人力検出手段からの人力方向信号の和に基づいて上記左，右の車輪の目標速度を設定するとともに、該左, 右の車輪の回転速度の合成値を実質的走行速度として検出し、
   上記補助動力制御手段は、上記左，右の車輪への補助動力が実質的に同等となり、かつ車両の実質的走行速度が上記目標速度となるよう上記補助動力源を速度フィードバック制御する
   ことを特徴とする補助動力式車椅子。
2. 請求項１において、
   上記目標速度を、上記人力の前進方向, 後進方向への入力時間の長さに応じて増加, 減少する目標速度増減手段を設けた
   ことを特徴とする補助動力式車椅子。
3. 請求項１又は２において、
   上記左，右の補助動力源として左，右の駆動モータを備え、
   上記補助動力制御手段は、上記左，右の駆動モータを出力トルクが実質的に相等しくなるように制御する
   ことを特徴とする補助動力式車椅子。
4. 請求項１ないし３の何れかにおいて、
   上記人力検出手段による人力の有無及びその入力方向を判定する際の人力のしきい値が、操作者の最大操作力より十分に小さく設定されており、
   上記補助動力制御手段は、上記しきい値付近の小さな人力が、上記左，右のハンドリムの両方又は片方に入力された時は、車両の実質的走行速度が上記目標速度となるように上記駆動モータを制御し、
   上記しきい値より十分に大きな人力が、上記左，右の何れかのハンドリムに入力された時は、車両が該大きな人力に応じた方向に旋回するよう上記駆動モータを制御する
   ことを特徴とする補助動力式車椅子。
5. 請求項２ないし４の何れかにおいて、
   上記目標速度増減手段は、上記左，右のハンドリムに同方向の人力が入力された時は、上記人力の入力方向及び入力時間に対する目標速度の増減の割合を、片方のハンドリムのみに人力が入力された場合の目標速度の増減の割合と同等以上とし、左，右のハンドリムに逆方向の人力が入力された時は、上記目標速度の増減を停止する
   ことを特徴とする補助動力式車椅子。
6. 請求項２ないし４の何れかにおいて、
   上記目標速度増減手段は、上記目標速度が０でなく、かつ人力の入力がない場合は、目標速度の絶対値を時間経過とともに０に向けて漸減する
   ことを特徴とする補助動力式車椅子。

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