JP4375700B2 - 全方向移動型電動車椅子のジョイスティックの操作制限システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、全方向移動型電動車椅子のジョイスティックの操作制限システムに係り、より詳しくは、全方向へ瞬時に移動可能な全方向移動型電動車椅子が障害物との衝突を回避すべく、搭乗者によるジョイスティックの操作を制限するシステムに関する。
【０００２】
【従来技術と課題】
一般に、電動車椅子は足腰が弱くなった高齢者の移動補助機器として利用されている。そして、そのコントローラとしてジョイスティックがよく用いられている。しかし、このジョイスティックは、例えば狭い通路において障害物を回避する際に細かな操作が必要であり、力の低下、手の震え等がある高齢者にとって、その操作が大きな負担となっている。
【０００３】
本発明は上記の事情に鑑みて成されたもので、その目的は、高齢者でもジョイスティックの操作により障害物を容易かつ適確に回避して電動車椅子を走行させることができる全方向移動型電動車椅子のジョイスティックの操作制限システムを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１における全方向移動型電動車椅子のジョイスティックの操作制限システムは、全方向へ瞬時に移動可能であり、ステックの傾動方向によって進行方向を、前記ステックの傾動角度によって進行速度をそれぞれ決定され、さらに、十字状に配設されたX軸およびY軸を有するジョイスティックを備えた全方向移動型電動車椅子が障害物との衝突を回避すべく、搭乗者によるジョイスティックの操作を制限するシステムであって、前記全方向移動型電動車椅子と前記障害物との距離を認識する環境認識センサと、この環境認識センサからの情報により前記障害物の存在を一時的に記憶する環境情報記憶装置と、前記X軸およびY軸の傾きをそれぞれ計測するX軸・Y軸ポテンショメータと、前記全方向移動型電動車椅子の速度および進行方向を算出する速度・進行算出手段と、前記環境認識センサと前記環境情報記憶装置と前記X軸・Y軸ポテンショメータと前記速度・進行算出手段とからの情報に基づき、前記全方向移動型電動車椅子と前記障害物との距離の二乗に反比例しかつ前記全方向移動型電動車椅子の速度に比例する前記ジョイスティックのインピーダンスのバネ定数を演算する演算手段と、前記X軸およびY軸をそれぞれインピーダンス制御するX軸・Y軸DCモータと、これらX軸・Y軸DCモータをそれぞれ駆動する２個のモータドライバと、これら２個のモータドライバに、前記演算手段の演算結果に基づき前記X軸およびY軸の制動値を算出して送信する操作制限算出手段と、を備え、これにより、前記環境認識センサからの情報および前記全方向移動型電動車椅子の速度情報に基づき、前記全方向移動型電動車椅子と前記障害物との距離の二乗に反比例させかつ前記全方向移動型電動車椅子の速度に比例させて各方向のバネ定数を大きくして、搭乗者の前記ジョイスティックへの誤った操作入力に対して搭乗者の手に抵抗を与え、障害物のある方向へ前記ジョイスティックが動かないようにし、
前記バネ定数は、
で表示されたものであることを特徴とする全方向移動型電動車椅子のジョイスティックの操作制限システム。
但し、k:入力方向に対するバネ定数、k 0 :基準バネ定数
v max :最大移動速度、r:入力方向にある障害物までの距離
r max :最大測定距離である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した全方向移動型電動車椅子の一実施例について図１〜図６に基づき詳細に説明する。本全方向移動型電動車椅子２１は、図２に示すように、車椅子本体２２に、十字状に配置した４個の車輪２３・２４を回転可能に装着し、これら４個の車輪２３・２４のそれぞれは、外周に複数のフリーローラを軸支したオムニホイールに構成してあって、全方向に移動可能になっている。そして、前記車椅子本体２１には、ジョイスティック２５と、これの操作制限システムとしての制御装置（図示せず）が装着してある。
【０００６】
そして、この制御装置は、図１に示すように、前記全方向移動型電動車椅子２１と前記障害物との距離を認識する環境認識センサ１と、この環境認識センサ１からの情報により前記障害物の存在を一時的に記憶する環境情報記憶装置２と、前記ジョイスティック２５のX軸およびY軸の傾きをそれぞれ計測するX軸・Y軸ポテンショメータ３・４と、前記全方向移動型電動車椅子２１の速度および進行方向を算出する速度・進行算出手段５と、前記環境認識センサ１と前記環境情報記憶装置２と前記X軸・Y軸ポテンショメータ３・４と前記速度・進行算出手段５とからの情報に基づき、前記全方向移動型電動車椅子２１と前記障害物との距離に反比例しかつ前記全方向移動型電動車椅子２１の速度に比例する前記ジョイスティック２５のインピーダンスを演算する演算手段６と、前記X軸およびY軸をそれぞれインピーダンス制御するX軸・Y軸DCモータ７・８と、
これらX軸・Y軸DCモータ７・８をそれぞれ駆動する２個のモータドライバ９・１０と、これら２個のモータドライバ９・１０に、前記演算手段６の演算結果に基づき前記X軸およびY軸の制動値を算出して送信する操作制限算出手段１１と、を備えている。また、前記環境情報記憶装置２、前記速度・進行算出手段５、前記演算手段６、前記モータドライバ９・１０および前記操作制限算出手段１１は、コンピュータ（図示せず）によって構成してある。
【０００７】
また、前記ジョイスティック２５は、ステックの傾動方向によって全方向移動型電動車椅子２１の進行方向を、また、ステックの傾動角度によって全方向移動型電動車椅子２１の進行速度をそれぞれ決定することができるようになっている。また、前記ジョイスティック２５においては、図３に示すように、十字状に配設したX軸２６およびY軸２７のそれぞれの一端に前記２個のX軸DCモータ７およびY軸DCモータ８がベルトの伝動手段２８・２９をそれぞれ介して連結してあり、さらに、前記X軸２６およびY軸２７のそれぞれの他端には前記X軸ポテンショメータ３およびY軸ポテンショメータ４がそれぞれ配設してある。
【０００８】
また、前記環境認識センサ１においては、図４に示すように、前記車椅子本体２２に装着された枠体３０の外面に接触センサ３１・３１および超音波センサ３２・３２が、また前記枠体３０の内側に赤外線センサ３３・３３がそれぞれ適宜の間隔をおいて装着してある。そして、各センサの測定距離の範囲は、超音波センサ３２は０.５０〜５.００m、赤外線センサ３３は０.０６〜０.６０mであり、接触センサ３２は衝突検出用である。
【０００９】
このように構成した全方向移動型電動車椅子２１においては、まず、環境認識センサ１が認識した各センサから障害物までの距離を環境情報記憶装置２がプロットすることにより、環境情報記憶装置２は全方向移動型電動車椅子２１の中心から半径３mの円状のマップを作るとともに記憶する。これにより、全方向移動型電動車椅子２１の周囲の環境情報を得る。なお、マップは、図５に示すように、５度、０.０５mごとに刻み、計４３２０セルに区切っあって、中心から離れるほどセルの幅が大きくなり角度分解能が低くなるという問題点があるが、超音波センサ３２および赤外線センサ３３は、それぞれ、±１０度、±２０度の指向角をもっていて、遠方ではセンサの分解能自体が低くなるため支障がない。
【００１０】
また、環境認識センサ１は、センサの数、指向角、設置方向の関係から測定できない範囲があるため、その範囲をある程度補完する必要があり、そのため、各セルに値を持たせ、センサで検出した位置と、その周囲に一定の値を加算する。さらに、加算だけではいつまでも値が残るため、忘却係数を掛けることにより、マップ内の障害物情報を更新する。そして、閾値を設定し、その値以上のセルには障害物が存在すると判定する。これにより、全方向移動型電動車椅子２１が移動している時、センサの無い範囲も過去の情報から障害物の有無を判定することができ、センサの特性からくる不確かさも補償する。
【００１１】
こうして、環境認識センサ１によって得られた全方向移動型電動車椅子２１の周囲の環境情報を、ジョイスティック２５に反映させる。すなわち、ジョイスティック２５は、インピーダンス制御を用いて減衰係数、バネ定数を調整することにより、搭乗者の操作の制限を行う。
なお、このバネ定数は次の式で表される。
【００１２】
【数１】
【００１３】
この式で速度を考慮している理由は、全方向移動型電動車椅子２１の使用環境上、狭い場所での移動やベット、机などへの接近が必要な場面が考えられるためである。障害物までの距離だけを考慮した場合、それらの移動に支障が生じるため、低速度移動の時にはある程度スティックが動き易くしてあるのである。
【００１４】
また、上述の式で表される距離、速度に対するバネ定数の変化を測定するため、全方向移動型電動車椅子２１を２m先の壁に向けて0.45m/s、0.9m/sで前進させ、その時のバネ定数ｋの変化を測定した。その結果を図６に示す。この図６から、バネ定数の式の第1項の分母が二乗になっているため、壁の近傍でバネ定数がより大きく変化し反力を大きくしていることが分かる。また、速度が速い場合にも、バネ定数が大きくなっていることが分かる。ここで、データが階段状になっているのはセンサ処理にかかる時間が長いためである。
【００１５】
【発明の効果】
上記の説明から明らかなように、本発明によれば、高齢者でもジョイスティックの操作により障害物を容易かつ適確に回避して電動車椅子を走行させることができるなどの優れた実用的効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した全方向移動型電動車椅子の側面図である。
【図３】ジョイスティックの概略平面図である。
【図４】環境認識センサの概略平面図である。
【図５】環境情報記憶装置２によって表示された全方向移動型電動車椅子（ＯＭＷ）のマップである。
【図６】本発明の一実施例の実験においてバネ定数の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 環境認識センサ１
２ 環境情報記憶装置
３ ；４ X軸・Y軸ポテンショメータ
５ 速度・進行算出手段
６ 演算手段
７ ；８ X軸・Y軸DCモータ
９ ；１０ モータドライバ
１１ 操作制限算出手段
２１ 全方向移動型電動車椅子
２５ ジョイスティック
【発明の属する技術分野】
本発明は、全方向移動型電動車椅子のジョイスティックの操作制限システムに係り、より詳しくは、全方向へ瞬時に移動可能な全方向移動型電動車椅子が障害物との衝突を回避すべく、搭乗者によるジョイスティックの操作を制限するシステムに関する。
【０００２】
【従来技術と課題】
一般に、電動車椅子は足腰が弱くなった高齢者の移動補助機器として利用されている。そして、そのコントローラとしてジョイスティックがよく用いられている。しかし、このジョイスティックは、例えば狭い通路において障害物を回避する際に細かな操作が必要であり、力の低下、手の震え等がある高齢者にとって、その操作が大きな負担となっている。
【０００３】
本発明は上記の事情に鑑みて成されたもので、その目的は、高齢者でもジョイスティックの操作により障害物を容易かつ適確に回避して電動車椅子を走行させることができる全方向移動型電動車椅子のジョイスティックの操作制限システムを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１における全方向移動型電動車椅子のジョイスティックの操作制限システムは、全方向へ瞬時に移動可能であり、ステックの傾動方向によって進行方向を、前記ステックの傾動角度によって進行速度をそれぞれ決定され、さらに、十字状に配設されたX軸およびY軸を有するジョイスティックを備えた全方向移動型電動車椅子が障害物との衝突を回避すべく、搭乗者によるジョイスティックの操作を制限するシステムであって、前記全方向移動型電動車椅子と前記障害物との距離を認識する環境認識センサと、この環境認識センサからの情報により前記障害物の存在を一時的に記憶する環境情報記憶装置と、前記X軸およびY軸の傾きをそれぞれ計測するX軸・Y軸ポテンショメータと、前記全方向移動型電動車椅子の速度および進行方向を算出する速度・進行算出手段と、前記環境認識センサと前記環境情報記憶装置と前記X軸・Y軸ポテンショメータと前記速度・進行算出手段とからの情報に基づき、前記全方向移動型電動車椅子と前記障害物との距離の二乗に反比例しかつ前記全方向移動型電動車椅子の速度に比例する前記ジョイスティックのインピーダンスのバネ定数を演算する演算手段と、前記X軸およびY軸をそれぞれインピーダンス制御するX軸・Y軸DCモータと、これらX軸・Y軸DCモータをそれぞれ駆動する２個のモータドライバと、これら２個のモータドライバに、前記演算手段の演算結果に基づき前記X軸およびY軸の制動値を算出して送信する操作制限算出手段と、を備え、これにより、前記環境認識センサからの情報および前記全方向移動型電動車椅子の速度情報に基づき、前記全方向移動型電動車椅子と前記障害物との距離の二乗に反比例させかつ前記全方向移動型電動車椅子の速度に比例させて各方向のバネ定数を大きくして、搭乗者の前記ジョイスティックへの誤った操作入力に対して搭乗者の手に抵抗を与え、障害物のある方向へ前記ジョイスティックが動かないようにし、
前記バネ定数は、
で表示されたものであることを特徴とする全方向移動型電動車椅子のジョイスティックの操作制限システム。
但し、k:入力方向に対するバネ定数、k 0 :基準バネ定数
v max :最大移動速度、r:入力方向にある障害物までの距離
r max :最大測定距離である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した全方向移動型電動車椅子の一実施例について図１〜図６に基づき詳細に説明する。本全方向移動型電動車椅子２１は、図２に示すように、車椅子本体２２に、十字状に配置した４個の車輪２３・２４を回転可能に装着し、これら４個の車輪２３・２４のそれぞれは、外周に複数のフリーローラを軸支したオムニホイールに構成してあって、全方向に移動可能になっている。そして、前記車椅子本体２１には、ジョイスティック２５と、これの操作制限システムとしての制御装置（図示せず）が装着してある。
【０００６】
そして、この制御装置は、図１に示すように、前記全方向移動型電動車椅子２１と前記障害物との距離を認識する環境認識センサ１と、この環境認識センサ１からの情報により前記障害物の存在を一時的に記憶する環境情報記憶装置２と、前記ジョイスティック２５のX軸およびY軸の傾きをそれぞれ計測するX軸・Y軸ポテンショメータ３・４と、前記全方向移動型電動車椅子２１の速度および進行方向を算出する速度・進行算出手段５と、前記環境認識センサ１と前記環境情報記憶装置２と前記X軸・Y軸ポテンショメータ３・４と前記速度・進行算出手段５とからの情報に基づき、前記全方向移動型電動車椅子２１と前記障害物との距離に反比例しかつ前記全方向移動型電動車椅子２１の速度に比例する前記ジョイスティック２５のインピーダンスを演算する演算手段６と、前記X軸およびY軸をそれぞれインピーダンス制御するX軸・Y軸DCモータ７・８と、
これらX軸・Y軸DCモータ７・８をそれぞれ駆動する２個のモータドライバ９・１０と、これら２個のモータドライバ９・１０に、前記演算手段６の演算結果に基づき前記X軸およびY軸の制動値を算出して送信する操作制限算出手段１１と、を備えている。また、前記環境情報記憶装置２、前記速度・進行算出手段５、前記演算手段６、前記モータドライバ９・１０および前記操作制限算出手段１１は、コンピュータ（図示せず）によって構成してある。
【０００７】
また、前記ジョイスティック２５は、ステックの傾動方向によって全方向移動型電動車椅子２１の進行方向を、また、ステックの傾動角度によって全方向移動型電動車椅子２１の進行速度をそれぞれ決定することができるようになっている。また、前記ジョイスティック２５においては、図３に示すように、十字状に配設したX軸２６およびY軸２７のそれぞれの一端に前記２個のX軸DCモータ７およびY軸DCモータ８がベルトの伝動手段２８・２９をそれぞれ介して連結してあり、さらに、前記X軸２６およびY軸２７のそれぞれの他端には前記X軸ポテンショメータ３およびY軸ポテンショメータ４がそれぞれ配設してある。
【０００８】
また、前記環境認識センサ１においては、図４に示すように、前記車椅子本体２２に装着された枠体３０の外面に接触センサ３１・３１および超音波センサ３２・３２が、また前記枠体３０の内側に赤外線センサ３３・３３がそれぞれ適宜の間隔をおいて装着してある。そして、各センサの測定距離の範囲は、超音波センサ３２は０.５０〜５.００m、赤外線センサ３３は０.０６〜０.６０mであり、接触センサ３２は衝突検出用である。
【０００９】
このように構成した全方向移動型電動車椅子２１においては、まず、環境認識センサ１が認識した各センサから障害物までの距離を環境情報記憶装置２がプロットすることにより、環境情報記憶装置２は全方向移動型電動車椅子２１の中心から半径３mの円状のマップを作るとともに記憶する。これにより、全方向移動型電動車椅子２１の周囲の環境情報を得る。なお、マップは、図５に示すように、５度、０.０５mごとに刻み、計４３２０セルに区切っあって、中心から離れるほどセルの幅が大きくなり角度分解能が低くなるという問題点があるが、超音波センサ３２および赤外線センサ３３は、それぞれ、±１０度、±２０度の指向角をもっていて、遠方ではセンサの分解能自体が低くなるため支障がない。
【００１０】
また、環境認識センサ１は、センサの数、指向角、設置方向の関係から測定できない範囲があるため、その範囲をある程度補完する必要があり、そのため、各セルに値を持たせ、センサで検出した位置と、その周囲に一定の値を加算する。さらに、加算だけではいつまでも値が残るため、忘却係数を掛けることにより、マップ内の障害物情報を更新する。そして、閾値を設定し、その値以上のセルには障害物が存在すると判定する。これにより、全方向移動型電動車椅子２１が移動している時、センサの無い範囲も過去の情報から障害物の有無を判定することができ、センサの特性からくる不確かさも補償する。
【００１１】
こうして、環境認識センサ１によって得られた全方向移動型電動車椅子２１の周囲の環境情報を、ジョイスティック２５に反映させる。すなわち、ジョイスティック２５は、インピーダンス制御を用いて減衰係数、バネ定数を調整することにより、搭乗者の操作の制限を行う。
なお、このバネ定数は次の式で表される。
【００１２】
【数１】
【００１３】
この式で速度を考慮している理由は、全方向移動型電動車椅子２１の使用環境上、狭い場所での移動やベット、机などへの接近が必要な場面が考えられるためである。障害物までの距離だけを考慮した場合、それらの移動に支障が生じるため、低速度移動の時にはある程度スティックが動き易くしてあるのである。
【００１４】
また、上述の式で表される距離、速度に対するバネ定数の変化を測定するため、全方向移動型電動車椅子２１を２m先の壁に向けて0.45m/s、0.9m/sで前進させ、その時のバネ定数ｋの変化を測定した。その結果を図６に示す。この図６から、バネ定数の式の第1項の分母が二乗になっているため、壁の近傍でバネ定数がより大きく変化し反力を大きくしていることが分かる。また、速度が速い場合にも、バネ定数が大きくなっていることが分かる。ここで、データが階段状になっているのはセンサ処理にかかる時間が長いためである。
【００１５】
【発明の効果】
上記の説明から明らかなように、本発明によれば、高齢者でもジョイスティックの操作により障害物を容易かつ適確に回避して電動車椅子を走行させることができるなどの優れた実用的効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した全方向移動型電動車椅子の側面図である。
【図３】ジョイスティックの概略平面図である。
【図４】環境認識センサの概略平面図である。
【図５】環境情報記憶装置２によって表示された全方向移動型電動車椅子（ＯＭＷ）のマップである。
【図６】本発明の一実施例の実験においてバネ定数の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 環境認識センサ１
２ 環境情報記憶装置
３ ；４ X軸・Y軸ポテンショメータ
５ 速度・進行算出手段
６ 演算手段
７ ；８ X軸・Y軸DCモータ
９ ；１０ モータドライバ
１１ 操作制限算出手段
２１ 全方向移動型電動車椅子
２５ ジョイスティック
Claims (2)
- 全方向へ瞬時に移動可能であり、ステックの傾動方向によって進行方向を、前記ステックの傾動角度によって進行速度をそれぞれ決定され、さらに、十字状に配設されたX軸およびY軸を有するジョイスティックを備えた全方向移動型電動車椅子が障害物との衝突を回避すべく、搭乗者によるジョイスティックの操作を制限するシステムであって、
前記全方向移動型電動車椅子と前記障害物との距離を認識する環境認識センサと、
この環境認識センサからの情報により前記障害物の存在を一時的に記憶する環境情報記憶装置と、
前記X軸およびY軸の傾きをそれぞれ計測するX軸・Y軸ポテンショメータと、
前記全方向移動型電動車椅子の速度および進行方向を算出する速度・進行算出手段と、
前記環境認識センサと前記環境情報記憶装置と前記X軸・Y軸ポテンショメータと前記速度・進行算出手段とからの情報に基づき、前記全方向移動型電動車椅子と前記障害物との距離の二乗に反比例しかつ前記全方向移動型電動車椅子の速度に比例する前記ジョイスティックのインピーダンスのバネ定数を演算する演算手段と、
前記X軸およびY軸をそれぞれインピーダンス制御するX軸・Y軸DCモータと、
これらX軸・Y軸DCモータをそれぞれ駆動する２個のモータドライバと、
これら２個のモータドライバに、前記演算手段の演算結果に基づき前記X軸およびY軸の制動値を算出して送信する操作制限算出手段と、
を備え、
これにより、前記環境認識センサからの情報および前記全方向移動型電動車椅子の速度情報に基づき、前記全方向移動型電動車椅子と前記障害物との距離の二乗に反比例させかつ前記全方向移動型電動車椅子の速度に比例させて各方向のバネ定数を大きくして、搭乗者の前記ジョイスティックへの誤った操作入力に対して搭乗者の手に抵抗を与え、障害物のある方向へ前記ジョイスティックが動かないようにし、
前記バネ定数は、
で表示されたものであることを特徴とする全方向移動型電動車椅子のジョイスティックの操作制限システム。
但し、
k:入力方向に対するバネ定数、
k 0 :基準バネ定数
v max :最大移動速度
r:入力方向にある障害物までの距離
r max :最大測定距離である。 - 請求項１に記載の全方向移動型電動車椅子のジョイスティックの操作制限システムにおいて、
前記環境認識センサは、超音波距離センサ、赤外線センサおよび接触センサであることを特徴とする全方向移動型電動車椅子のジョイスティックの操作制限システム。
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| JP2001220765A JP4375700B2 (ja) | 2001-07-23 | 2001-07-23 | 全方向移動型電動車椅子のジョイスティックの操作制限システム |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2001220765A JP4375700B2 (ja) | 2001-07-23 | 2001-07-23 | 全方向移動型電動車椅子のジョイスティックの操作制限システム |
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|---|---|
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country Status (1)
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| JP5487822B2 (ja) * | 2009-09-09 | 2014-05-14 | 株式会社ケーイーアール | 力覚提示型ジョイスティックおよび全方向移動対象物の操作制御方法 |
| JP5161353B2 (ja) * | 2010-10-19 | 2013-03-13 | パナソニック株式会社 | 電動車両及びその制御方法 |
| CN112566603B (zh) * | 2018-09-07 | 2023-04-11 | 苏州金瑞麒智能科技有限公司 | 一种轮椅结构参数自适应调节方法、系统及存储介质 |
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2001
- 2001-07-23 JP JP2001220765A patent/JP4375700B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2003033405A (ja) | 2003-02-04 |
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