JP4616127B2 - パワーアシスト車 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、台車、買い物カート、クリーナ本体などに適用され、これらの走行をアシストするパワーアシスト車に関する。

例えば、手押し型の台車において、操作者が台車を手押し操作する力を動力により補助する仕組みを持っている台車はパワーアシスト車と呼ばれている。このようなパワーアシスト車において、障害物センサによる障害物の検知出力に基づいて、操作者の旋回指示に応じて操舵角を衝突回避方向に補正するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
また、障害物センサによる障害物の検知出力に基づいて台車の速度のうち、障害物への接近方向の速度を制限することで障害物への衝突を回避するものが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００２−２２５７４１ 特開２００３−３４１５１９

特許文献記載のものは、いずれにしても操作者が旋回操作を行わなければ、障害物に衝突してしまうという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するために為されたもので、操作者が旋回操作を行わなくても障害物を回避して走行ができるパワーアシスト車を提供する。

本発明は、車本体を手動走行操作するための操作部と、この操作部に加えられた操作力の大きさと向きを計測する操作力計測手段と、車本体に設けられ、走行方向にある障害物を検知する障害物センサと、この障害物センサの検知出力に基づいて障害物までの距離とその障害物の方向を計測する距離計測手段と、この距離計測手段が計測した障害物までの距離と方向から、車本体をその障害物から離すための仮想斥力の大きさと向きを演算する演算手段と、車本体の走行をアシストする駆動源と、操作力計測手段が計測した操作力の大きさ及び向きと、演算手段が演算した仮想斥力の大きさ及び向きの合力からアシスト力を算出するアシスト力算出手段と、このアシスト力算出手段が算出したアシスト力に基づいて駆動源の駆動力を制御する駆動力制御手段とを具備したパワーアシスト車にある。

本発明によれば、操作者が旋回操作を行わなくても障害物を回避して走行ができるパワーアシスト車を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１乃至図３は手押し台車に適用したパワーアシスト車の構成を示す図で、車本体である台車本体１は荷物を載せる荷台２を設けている。そして、この荷台２の一端側にバッテリ３や制御回路基板４等を収納した収納ボックス５を設けている。

前記荷台２は、底面の一端側左右に駆動操舵輪６，７を設け、この１対の駆動操舵輪６，７を駆動源であるモータ８によってアシスト駆動するようになっている。前記荷台２は、また、底面の他端側左右に自在輪９，１０を設けるとともに、他端側先端に３個の障害物センサ１１，１２，１３を左右と中央に配置している。

前記収納ボックス５の左右にはそれぞれ支柱１４，１５が立設され、その各支柱１４，１５の先端に操作部を構成する操作パネル１６が取り付けられ、その操作パネル１６の一端側端面に全体がＵ形に形成された操舵ハンドル１７が取り付けられている。前記操作パネル１６には、電源スイッチ等のスイッチ類１６ａや電圧等を表示する表示器１６ｂが配置されている。

前記制御回路基板４には、図４に示す回路ブロックにおける、ＣＰＵ２１、ＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３等が配置されている。前記ＲＯＭ２２には、前記ＣＰＵ２１が各部を制御するためのプログラムデータが格納されている。前記ＲＡＭ２３には前記ＣＰＵ２１が演算処理や表示処理を行うときに使用するメモリ等が設けられている。前記ＣＰＵ２１、ＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３、前記障害物センサ１１，１２，１３、操作パネル１６は、互いにバスライン２４によって電気的に接続されている。

前記操作パネル１６における操舵ハンドル１７の左右の取り付け部位には操舵ハンドル１７を握っている操作者が台車を手押し操作したときに操作パネル１６に加わる操作力の大きさと向きを計測する力センサ１８が配置されている。この力センサ１８は前記ＣＰＵ２１とともに操作力計測手段を構成している。また、前記モータ８を駆動制御する駆動力制御手段であるモータドライバ１９を設けている。そして、前記力センサ１８及びモータドライバ１９もまた、前記バスライン２４に接続されている。

このような構成のパワーアシスト車は、操作者が操舵ハンドル１７を手で握って押すことで前方へ前進するが、そのときに操舵ハンドル１７から操作パネル１６に加わる操作力の大きさと向きが力センサ１８によって計測される。また、３つの障害物センサ１１，１２，１３によって前方方向における所定範囲の障害物が検知される。そして、ＣＰＵ２１は、ＲＯＭ２２に格納されているプログラムデータに基づいて図５に示す流れ図に従ったアシスト制御を行うようになっている。すなわち、操作力の大きさと向き、及び障害物の検知出力から計測される障害物まで距離と方向の情報によって、パワーアシスト車に加えられるアシスト力を算出し、算出したアシスト力に基づいてモータドライバ１９を制御し、パワーアシスト車を、障害物を回避するように動作する。

すなわち、操作者がパワーアシスト車を前進させるために操舵ハンドル１７を操作すると、ＣＰＵ２１は、ステップＳ１にて、操舵ハンドル１７の操作によって加わる操作力を検出する力センサ１８の値を取得し、この値から操作力の大きさと向きを計測する（操作力計測手段）。

そして、ステップＳ２にて、計測した操作力の大きさと向きから、台車本体１の中心に加わる力と、力のモーメントを計算する。すなわち、図６に示すように、力センサ１８の計測結果から、台車本体１の中心に加わる力（ベクトル）ｆ_ｕと、力のモーメントｍ_ｕを、下記(1)式により求める。

ここで（ベクトル）ｆ_ｈ１、（ベクトル）ｆ_ｈ２は操舵ハンドル１７の左右に加わった力、（ベクトル）ｐ_ｈ１、（ベクトル）ｐ_ｈ２は操舵ハンドル１７の左右の位置を示している。なお、座標系の原点は、左右の駆動操舵輪６、７の中間点に取り、台車本体１の進行方向をｘ軸方向とする。

続いて、ＣＰＵ２１は、ステップＳ３にて、障害物センサ１１，１２，１３の検知出力の値を取得し、障害物までの距離とその障害物の方向を計測する（距離計測手段）。続いて、ステップＳ４にて、障害物までの距離と方向から、仮想斥力の大きさと向き、力のモーメントを演算する（演算手段）。ここで、仮想斥力とは、障害物を回避しようとする仮想的な力を示している。さらに、ステップＳ５にて、操作力と仮想斥力を合成して障害物回避に必要なアシスト力を算出する（アシスト力算出手段）。

ここで、理解を容易にするために、先ず、障害物センサ１１，１２，１３が障害物を検知していない状態でのパワーアシストに必要となるモータ８の駆動トルクの算出について説明する。

障害物センサ１１，１２，１３が障害物を検知していない場合は、上記式(1)で求めた台車本体１の中心に加わる力と力のモーメントに、下記(2)式のようにアシスト率Ｋ_ａを乗算することでアシスト力を求める。アシスト力（ベクトル）ｆ_ａは、図７に示されているｘ軸方向成分以外に、ｙ軸方向成分を持つ可能性がある。しかし、パワーアシスト台車が駆動操舵輪方式をとる場合は、ｙ軸方向に駆動することはできないため、駆動が可能なｘ軸方向成分のみで並進方向のアシスト力を考える。

このアシスト力のｘ軸方向成分ｆ_ａｘと回転方向成分である力のモーメントｍ_ａを下記(3)式に代入することでパワーアシストを行うのに必要となる左右の駆動操舵輪６，７が発生すべきトルクτ_１、τ_２を求めることができる。

ここで、Ｒは駆動操舵輪６，７の半径、Ｗは左右の駆動操舵輪６，７の間隔である。

ＣＰＵ２１は、ステップＳ６にて、(3)式によりモータ８が出力するトルクを求め、ステップＳ７にて、求めたトルクを発生するようにモータドライバ１９に制御量を指示する。これにより、モータドライバ１９は制御量に従ってモータ８を駆動する。こうしてパワーアシスト車のパワーアシスト制御を実現することができる。

次に、図７に示すように、障害物センサ１１，１２，１３が障害物２０を検知している場合の、障害物回避を含めたパワーアシストに必要なモータ８の駆動トルクの算出について説明する。
障害物センサ１１，１２，１３が障害物２０を検知している場合は、台車本体１の中心に加わる力と、力のモーメントを求める際に、操作者が操舵ハンドル１７に加えた操作力の他に、検知した障害物を回避する目的で、台車本体１が障害物から遠ざかろうとする仮想的な力としての仮想斥力（ベクトル）ｆ_ｖ１、（ベクトル）ｆ_ｖ２、（ベクトル）ｆ_ｖ３を加える。

仮想斥力は台車本体１が障害物に近づくほど大きくなる力で、例えば、力の大きさは障害物までの距離に反比例し、方向は障害物センサ１１，１２，１３が障害物を検知した方向の逆方向とする。ここで、障害物センサ１１，１２，１３が、レーザーレンジファインダなど方向に関する分解能が高い場合は、障害物を検知した方向が精度よく求められるが、超音波センサなど方向に関する分解能が低いものを用いた場合は、障害物を検知した方向の精度があまり期待できない。

そのような場合は、超音波センサの指向性が最も強くなる方向に障害物を検知したものと仮定して仮想斥力の方向を与えることが望ましい。この場合、各センサの指向性が最も強くなる方向を、（ベクトル）ｄ_ｓｉとすると、各障害物センサ１１，１２，１３による仮想斥力（ベクトル）ｆ_ｓｉは下記(4)式のように与えることになる。

図７のように仮想斥力の力点を障害物センサ１１，１２，１３の位置（ベクトル）ｐ_ｓｉに取ると、仮想斥力により台車本体１の中心に加わる力（ベクトル）ｆ_ｖと力のモーメントｍ_ｖは下記(5)式により求めることができる。

従って、障害物センサ１１，１２，１３が障害物２０を検知していない場合と同様にアシスト力を求めると、力センサ１８の計測結果から求めたユーザからの操作力とその力のモーメントと、障害物センサ１１，１２，１３の計測結果から求めた仮想斥力とその力のモーメントの合力にアシスト率を掛けて、下記(6)式によりアシスト力を得る。

上記(6)式により得られる（ベクトル）ｆ_ａのｘ軸方向成分とモーメントｍ_ａを、障害物を検知していない場合と同様に、(3)式に代入してモータ８に必要なトルクを求めることで、障害物回避を加えたパワーアシスト制御を実現することができる。

障害物センサ１１，１２，１３が障害物２０を検知していない場合と検知している場合を分けて説明したが、障害物センサ１１，１２，１３が障害物を検知していない場合の障害物までの距離を無限大とすると仮想斥力は０に収束するため上記(6)式は上記(2)式に収束する。従って、アシスト力を求めるには障害物センサ１１，１２，１３が障害物を検知していてもしていなくても(6)式を用いればよい。

このようなアシスト力がパワーアシスト車に加わることで、操作者が操舵ハンドル１７を握って手押し操作しているときに、台車本体１が障害物２０の方向に前進することがあっても台車本体１が障害物２０に近づくに従って仮想斥力が大きくなり、これにより台車本体１が障害物２０への衝突を回避するように方向を変更する。従って、操作者は、旋回操作を行わなくても障害物に衝突することなくパワーアシスト車を手押し走行させることができる。

次に、障害物回避を行いながら、パワーアシスト車の台車本体１が図８に示すように、障害物２０ａと障害物２０ｂの間を通過する場合について説明する。
この場合、障害物センサ１１，１２，１３と障害物２０ａ，２０ｂとの距離が近づくにつれて仮想斥力が大きくなり、場合によっては台車本体１が通れる隙間があるにもかかわらず、仮想斥力に押し戻されて台車本体１が隙間に入れないことが考えられる。

このような状態を回避するために操舵ハンドル１７に作用する操作力が所定の大きさを超えた場合は、仮想斥力の大きさを制限してモータ８の駆動トルクを算出する。すなわち、障害物センサ１１，１２，１３と障害物２０ａ，２０ｂとの距離が近づくにつれて仮想斥力が大きくなるが、仮想斥力の大きさに制限を設けることで、台車本体１は操作力が所定の大きさ以上になると障害物２０ａ，２０ｂ間の隙間を通過できるようになる。そして、この場合も、両方の障害物２０ａ，２０ｂに対する仮想斥力によって障害物２０ａ，２０ｂの間の略中央部を通過する。このようにして、障害物回避を行いながらも操作者の操作意図を優先しつつ連続的にアシスト力を変化させてパワーアシスト車を手押し走行させることができる。

なお、この実施の形態は、手押し台車に適用したパワーアシスト車について述べたが必ずしもこれに限定するものではなく、手押し操作する買い物カートや吸引ホース部を操作して本体部を引っ張り走行するクリーナ等にも適用できるものである。手押し操作する買い物カートについては手押し台車と同じく手押し走行させるのでアシスト力の発生原理は台車の場合と同じある。吸引ホース部を引っ張って本体部を走行するクリーナの場合は、引っ張り力を操作力として計測することになる。そして、この場合もクリーナ本体が障害物に衝突するのを回避しながら走行できることになる。

本発明の実施の形態に係るパワーアシスト車の構成を示す側面図。 同実施の形態に係るパワーアシスト車の構成を示す斜視図。 同実施の形態に係るパワーアシスト車の構成を示す平面図。 同実施の形態に係るパワーアシスト車の制御部の構成を示すブロック図。 同実施の形態の制御部のＣＰＵによるアシスト制御を示す流れ図。 同実施の形態において操作力によって発生するアシスト力を説明するための図。 同実施の形態において操作力と仮想斥力によって発生するアシスト力を説明するための図。 同実施の形態においてパワーアシスト車の障害物間の通過と仮想斥力との関係を説明するための図。

符号の説明

１…台車本体、６，７…駆動操舵輪、８…モータ、１１，１２，１３…障害物センサ、１６…操作パネル、１７…操舵ハンドル、１８…力センサ、１９…モータドライバ、２１ＣＰＵ、２２…ＲＯＭ。

Claims (3)

1. 車本体を手動走行操作するための操作部と、
   この操作部に加えられた操作力の大きさと向きを計測する操作力計測手段と、
   前記車本体に設けられ、走行方向にある障害物を検知する障害物センサと、
   この障害物センサの検知出力に基づいて障害物までの距離とその障害物の方向を計測する距離計測手段と、
   この距離計測手段が計測した障害物までの距離と方向から、前記車本体をその障害物から離すための仮想斥力の大きさと向きを演算する演算手段と、
   前記車本体の走行をアシストする駆動源と、
   前記操作力計測手段が計測した操作力の大きさ及び向きと、前記演算手段が演算した仮想斥力の大きさ及び向きの合力からアシスト力を算出するアシスト力算出手段と、
   このアシスト力算出手段が算出したアシスト力に基づいて前記駆動源の駆動力を制御する駆動力制御手段と、
   を具備したことを特徴とするパワーアシスト車。
2. 演算手段が演算する仮想斥力の大きさは、障害物までの距離に反比例し、かつ、仮想斥力の方向は、前記障害物の方向とは反対方向に作用することを特徴とする請求項１記載のパワーアシスト車。
3. 演算手段が演算する仮想斥力の大きさに上限値を設定したことを特徴とする請求項２記載のパワーアシスト車。

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