JP5186041B2

JP5186041B2 - 電動車両、及び、制御方法

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Publication number: JP5186041B2
Application number: JP2011518241A
Authority: JP
Inventors: 洋平久米; 日出生河上; 徹中村
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-06-02
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2030-05-27
Also published as: WO2010140321A1; CN102333689A; CN102333689B; EP2383163A4; JPWO2010140321A1; US8706332B2; EP2383163A1; EP2383163B1; US20110313604A1

Description

本発明は、例えば、パワーアシスト台車、電動車いす、電動の買い物カートなどの、操作者の操作に基づいて動作する電動車両及びその制御方法に関するものである。

操作者の操作に基づいて動作する電動車両には、障害物を回避する機能を有するパワーアシスト付きの電動車両がある。この電動車両は、搭載された障害物センサからの情報に基づき算出した動作で障害物を回避する。この電動車両において、操作者の操作に基づく動作と、障害物を回避するための動作とを足し合わせることにより、自動で障害物回避動作を行いながら、操作者の操作に基づく動作を行う電動車両が提案されている。

例えば、パワーアシスト付きの電動車両として特許文献１に記載されたパワーアシスト台車がある。このパワーアシスト台車２０５の駆動の制御は、障害物２０４と反対方向に作用する仮想斥力２０２に基づいて行われる。この仮想斥力２０２の大きさは、搭載された障害物センサにより検出した障害物２０４までの距離に反比例する大きさである。図２３に示すように、このパワーアシスト台車２０５は、操作力２０１と仮想斥力２０２との合力２０３に基づいて、パワーアシスト台車２０５の駆動力を制御するものである。
ここで、操作力２０１は、操作者２０６がパワーアシスト台車の操作部２０５ａに加えた力であり、仮想斥力２０２は、障害物２０４と反対方向に作用する力である。これにより、自動で障害物回避動作を行いながら、操作者２０６が加えた操作力２０１に基づくパワーアシスト台車２０５の動作を行うことができる。

特開２００７−５５４８０号公報

しかしながら、例えば、図２４に示すように、操作者２０６が操作部２０５ａに対し操作力２０１を加えていない時に、障害物２０４がパワーアシスト台車２０５に近寄ってくる場合がある。このような場合には、障害物２０４との距離に応じて生成された仮想斥力２０２により、障害物回避動作が自動で行われてしまう。そのため、操作者２０６が動作させようとする意思がない場合でも、パワーアシスト台車２０５が勝手に動作してしまう可能性がある。

また、図２５に示すように、操作者２０６が操作部２０５ａに対し前方に操作力２０１を加えている時に、斜め前方から障害物２０４がパワーアシスト台車２０５に近寄ってくる場合がある。このような場合には、障害物２０４との距離に応じた仮想斥力２０２が斜め後方に生成される。この場合、操作力２０１や仮想斥力２０２の大きさにもよるが、それらの合力２０３の方向が、操作者２０６が動作させようとした方向とは異なり、意図した方向とは異なる方向に動作してしまう可能性がある。

以上のように、従来のパワーアシスト付きの電動車両では、操作者が操作していない場合でも電動車両が動作したり、操作者の意図とは大きく異なる方向や大きさで電動車両が動作したりする可能性がある。この場合、操作者が認識できている障害物であれば、操作した方向とは異なる方向への動作であっても問題ない。だが、例えば、搬送している荷物が大きく、近づいてきた障害物が見えない場合や、操作者が別の方向を見ており近づいてきた障害物が認識できていない場合には、その動作が把握できない。そのため、安全性に課題が生じる可能性がある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、操作者の操作に基づいたアシスト動作を行う電動車両およびその制御方法を提供することを目的とする。これにより、操作者が操作していない場合に電動車両が動作することや、操作者の意図とは大きく異なる方向や大きさで電動車両が動作することが発生しない。

上述したような課題を解決するために、本発明の電動車両は、操作者が電動車両に加えた操作力を計測する操作力計測部と、前記電動車両に対する障害物の位置ベクトルを計測する障害物計測部と、前記位置ベクトルの大きさに反比例する大きさであり、かつ、前記位置ベクトルの方向と反対方向の仮想斥力を算出する仮想斥力算出部と、前記電動車両を動作させるためのアシスト力を、前記操作力と前記仮想斥力の合力に基づいて算出し、算出するアシスト力の大きさの上限値Ｘを前記操作力に基づいて算出し、前記アシスト力が前記上限値Ｘを超えている場合、前記上限値Ｘ以下の大きさのアシスト力を出力するアシスト力算出部とを備えることを特徴とする。

また、上述したよう課題を解決するために、本発明の別の様態の電動車両は、操作者が電動車両に加えた操作量の大きさ及び方向を計測する操作量計測部と、前記電動車両に対する障害物の位置ベクトルを計測する障害物計測部と、前記操作量計測部が計測した操作量の大きさ及び方向に基づく前記電動車両の目標操作速度を算出する目標操作速度算出部と、前記障害物計測部が計測した前記位置ベクトルに基づいて、前記電動車両を前記障害物から遠ざけるための障害物回避速度を算出する障害物回避速度算出部と、前記電動車両を動作させるためのアシスト動作速度を、前記目標操作速度と前記障害物回避速度の合成速度に基づいて算出し、算出するアシスト動作速度の大きさの上限値Ｙを前記目標操作速度に基づいて算出し、前記アシスト動作速度が前記上限値Ｙを超えている場合、前記上限値Ｙ以下の大きさのアシスト動作速度を出力するアシスト動作速度算出部とを備えることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、操作者の操作に基づいた動作を行う電動車両およびその制御方法を提供することができる。それにより、操作者が操作していない場合に電動車両が動作することや、操作者の意図とは大きく異なる方向や大きさで電動車両が動作することが発生しない。

図１は、実施の形態１におけるパワーアシスト台車１の斜視図である。図２は、実施の形態１におけるパワーアシスト台車１を下方から見た図である。図３は、実施の形態１におけるパワーアシスト台車１のシステム構成を示すブロック図である。図Ａ４は、実施の形態１におけるパワーアシスト台車１の前半のフローチャートである。図４Ｂは、実施の形態１におけるパワーアシスト台車１の後半のフローチャートである。図５は、実施の形態１におけるパワーアシスト台車１のアシスト力の上限値（１）を示す図である。図６は、実施の形態１におけるパワーアシスト台車１のアシスト力の上限値（２）を示す図である。図７は、実施の形態１におけるパワーアシスト台車１のアシスト力の上限値（３）を示す図である。図８は、実施の形態１におけるパワーアシスト台車１のアシスト力の上限値（４）を示す図である。図９は、実施の形態１におけるパワーアシスト台車１のアシスト力の上限値（５）を示す図である。図１０は、実施の形態１におけるパワーアシスト台車１のアシスト力の上限値（６）を示す図である。図１１は、実施の形態１におけるパワーアシスト台車１のアシスト力の上限値（７）を示す図である。図１２は、実施の形態２における電動車いす１０１の斜視図である。図１３は、実施の形態２における電動車いす１０１を下から見た図である。図１４は、実施の形態２における電動車いす１０１のシステム構成を示すブロック図である。図１５Ａは、実施の形態２における電動車いす１０１の前半のフローチャートである。図１５Ｂは、実施の形態２における電動車いす１０１の後半のフローチャートである。図１６は、実施の形態２における電動車いす１０１のアシスト力の上限値（１）を示す図である。図１７は、実施の形態２における電動車いす１０１のアシスト力の上限値（２）を示す図である。図１８は、実施の形態２における電動車いす１０１のアシスト力の上限値（３）を示す図である。図１９は、実施の形態２における電動車いす１０１のアシスト力の上限値（４）を示す図である。図２０は、実施の形態２における電動車いす１０１のアシスト力の上限値（５）を示す図である。図２１は、実施の形態２における電動車いす１０１のアシスト力の上限値（６）を示す図である。図２２は、実施の形態２における電動車いす１０１のアシスト力の上限値（７）を示す図である。図２３は、従来技術によるパワーアシスト台車を示す図である。図２４は、従来技術の課題（１）を示す図である。図２５は、従来技術の課題（２）を示す図である。図２６は、実施の形態１の適用例であるパワーアシストカートの斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を例示的に説明したものであって、当業者が想到できる範囲において適宜変更可能であり、本発明は、以下に記載する実施の形態に限定されるものではない。また、以下の説明において、同じ構成には同じ符号を付して説明を省略している。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるパワーアシスト台車１の斜視図、図２は、同実施の形態１におけるパワーアシスト台車１を下方から見た図である。

なお、理解を容易にするために、パワーアシスト台車１に固定され、パワーアシスト台車１の運動と共に動く台車座標系Σ_ｒを設定している（図１参照）。台車座標系Σ_ｒは、互いに直交する三つのＸ_ｒ軸、Ｙ_ｒ軸およびＺ_ｒ軸を有する座標系であり、台車座標系Σ_ｒのＸ_ｒ軸とＹ_ｒ軸から構成される平面は地面に対して平行な水平面とし、Ｘ_ｒ軸がパワーアシスト台車１の前方を向いているものとする。

一方、電動車両であるパワーアシスト台車１の位置を示す座標系として基準座標系Σ₀を設定している。基準座標系Σ₀は、互いに直交する三つのＸ₀軸、Ｙ₀軸およびＺ₀軸を有する座標系であり、基準座標系Σ₀のＸ₀軸とＹ₀軸から構成される平面は、パワーアシスト台車１が走行する地面に設定している。以上の台車座標系Σ_ｒと基準座標系Σ₀により、パワーアシスト台車１の位置及び姿勢が定義される。

パワーアシスト台車１は、物品（図示略）を載置する荷台２を備えている。台車座標系Σ_ｒの原点は、荷台２の中央（後述する４輪の車輪５の中心）に設定されているものとする。

荷台２の上側の後部領域には、パイプ状の部材により門型に構成されたハンドル３が設けられており、その中央部には、操作者（図示略）がハンドル３に加えた操作力の大きさ及び方向（台車座標系Σ_ｒにおける）を計測する操作力計測部４が設けられている。以下、および、請求の範囲において「操作力」の語は、力（大きさと方向からなるベクトルである）とモーメントの両方を含む意味で用いている。

操作力計測部４は、操作者がハンドル３に加えた操作力を計測することができるものであればよく、一般に市販されている３軸力センサを用いることができる。なお、操作力計測部４で計測される操作力は、台車座標系Σ_ｒのＸ_ｒ軸方向及びＹ_ｒ軸方向の力、および、Ｚ_ｒ軸回りのモーメントを含む。

また、パワーアシスト台車１は、荷台２の下側の四隅それぞれに、パワーアシスト台車１を走行させる車輪５を備えている。また、パワーアシスト台車１は、四つの車輪５を独立して駆動させる車輪駆動部６と、四つの車輪駆動部６を制御するコントローラ７が設けられている。パワーアシスト台車１の具体的な制御則は、このコントローラ７によって実現される。

車輪５は、パワーアシスト台車１を全方向に移動可能なものが好ましく、本実施の形態１では、一般に市販されている全方向移動車輪であるオムニホイールが４個採用されている。また、車輪５の配置や数も任意であり、本実施の形態の場合、図２に示すような車輪構成及び車輪配置としている。

なお、一般に市販されている中空タイヤ２個を用いた独立２輪駆動型の車輪構成をとってもよい。この場合には、パワーアシスト台車１を安定して支えるために、補助輪として、一般に市販されているキャスタを複数個用いることが望ましい。

車輪駆動部６は、減速機６ａ、電動モータ６ｂ、電動モータ６ｂの回転角度を計測するエンコーダ６ｃ、電動モータ６ｂを駆動するためのサーボドライバ６ｄから構成されている。本実施の形態１では、電動モータ６ｂはコントローラ７からの指令された速度で動作するように速度制御されている。

またパワーアシスト台車１は、荷台２の下側面に、パワーアシスト台車１から障害物までの距離と方向を計測する障害物計測部８を備えている。障害物計測部８の出力情報は、台車座標系Σ_ｒを基準とする情報である。障害物計測部８は、例えば水平方向における９０度の範囲や１８０度の範囲内にある障害物の位置（方向）と距離との情報を取得できる測定装置である。本実施の形態１では、障害物計測部８として、一般に市販されている光走査型のレーザー測域センサ８ａが採用されており、荷台２の角四隅に設けられている。本実施の形態１では、このレーザー測域センサ８ａの検出範囲を周囲２７０度としているため、荷台２の角四隅に設けることにより、パワーアシスト台車１の全方向に存在する障害物までの距離及び方向を計測することができる。

ここで、図３はパワーアシスト台車１のシステム構成を示すブロック図である。

図３に示すように、パワーアシスト台車１は、操作力計測部４、障害物計測部８、仮想斥力算出部９、アシスト力算出部１０、アシスト動作算出部１１、駆動制御部１２、車輪駆動部６、車輪５を機能部として備えている。

前述のとおり、操作力計測部４は、操作者１３がパワーアシスト台車１のハンドル３に加えた操作力の大きさ及び方向を計測する装置である。

また、前述のとおり、障害物計測部８は、パワーアシスト台車１から障害物１４までの距離及び方向（パワーアシスト台車１に対する障害物１４の位置ベクトル）を計測する装置である。

仮想斥力算出部９は、障害物計測部８が計測した障害物１４までの距離に反比例する大きさであり、かつ、パワーアシスト台車１から障害物１４に向かう方向（位置ベクトルの方向）と反対方向に作用する仮想斥力を算出する処理部である。この仮想斥力は、パワーアシスト台車１に作用させることにより、障害物１４との衝突を回避させるための情報である。

アシスト力算出部１０は、操作力計測部４が計測した操作力と、仮想斥力算出部９が算出した仮想斥力との合力から、パワーアシスト台車１を制御するためのアシスト力を算出し、アシスト動作算出部１１に出力する処理部である。この時、仮想斥力及びアシスト力は、台車座標系Σ_ｒを基準とする情報である。

アシスト動作算出部１１は、アシスト力算出部１０が算出したアシスト力に基づき、パワーアシスト台車１のアシスト動作速度を生成し、駆動制御部１２に対し出力する処理部である。

駆動制御部１２は、アシスト動作算出部１１が算出したアシスト動作速度を、車輪５の指令回転速度に変換し、車輪駆動部６に対し指令を行う処理部である。

車輪駆動部６は、駆動制御部１２が生成した指令回転速度となるように車輪の回転を制御する装置である。

以上の構成により、操作者１３の操作に基づいた動作を行うパワーアシスト台車１を実現することができる。

なお、仮想斥力算出部９と、アシスト力算出部１０と、アシスト動作算出部１１と、駆動制御部１２とは、コントローラ７に備えられる演算素子などとプログラムにより実現されるものである。

次に、このような構成において、図４に示すフローチャートに従って、具体的な制御則を用いた実施例について説明する。

はじめに、操作力計測部４は、（式１）に基づき操作者がハンドル３に加えた操作力の大きさ及び方向を計測する（ステップＳ１）。

ただし、ｆ^x _opeは、台車座標系Σ_ｒのＸ_ｒ軸方向の力、ｆ^y _opeは、台車座標系Σ_ｒのＹ_ｒ軸方向の力、ｎ_ope∈Ｒは、台車座標系Σ_ｒのＺ_ｒ軸回りで定義されたモーメントである。また、操作力が作用していない場合は、操作力はゼロとして算出する。

次に、障害物計測部８は、パワーアシスト台車１から障害物までの距離及び方向（位置ベクトル）を計測する（ステップＳ２）。

次に、仮想斥力算出部９は、パワーアシスト台車１を障害物から遠ざけるための仮想斥力を算出する。

まず、仮想斥力算出部９は、障害物までの距離に応じた斥力ポテンシャルＵ_obj（Ｘ）∈Ｒを（式２）に基づいて生成する（ステップＳ３）。

ただし、Ｘ＝［ｘｙ θ］^T∈Ｒ³は、パワーアシスト台車１の現在位置を表すベクトル、η∈Ｒは正の重み係数、ρ（Ｘ）∈ＲはＸから障害物への最近接距離を表し、ρ₀（Ｘ）∈Ｒは正の定数である。斥力ポテンシャルＵ_obj（Ｘ）はゼロ以上であり、パワーアシスト台車１が障害物領域に近づくほど無限大に近くなり、パワーアシスト台車１から障害物への距離がρ₀以上のときゼロとなる。

ここで、パワーアシスト台車１に作用させる仮想斥力をＦ_obj ^T∈Ｒ³とおくと、仮想斥力Ｆ_objは、（式２）で算出した斥力ポテンシャルを用いて、（式３）のように求めることができる（ステップＳ４）。

ただし、∇Ｕ_obj（Ｘ）は、パワーアシスト台車１の現在位置ＸにおけるＵ_obj（Ｘ）のこう配ベクトルを意味する。（式２）、（式３）から、パワーアシスト台車１の現在位置Ｘにおける仮想斥力は（式４）のように表すことができる。

生成された仮想斥力は、障害物１４までの距離に反比例する大きさであり、かつ、障害物１４の方向（位置ベクトルの方向）と反対向きに作用する仮想的な力である。この仮想斥力により、パワーアシスト台車１を障害物１４から遠ざけることができる。

いま、操作力Ｆ_opeと仮想斥力Ｆ_objの合力をＦ_sum＝［ｆ^x _sum ｆ^y _sum ｎ_sum］^T∈Ｒ³とおくと、操作力Ｆ_opeと仮想斥力Ｆ_objの合力Ｆ_sumは（式５）で表される。

ここで、アシスト力をＦ_a＝［ｆ^x _a ｆ^y _a ｎ_a］^Tとおくと、従来提案されている技術では、この合力Ｆ_sumをアシスト力Ｆ_aと設定し、このアシスト力Ｆ_a（＝Ｆ_ope＋Ｆ_obj）に基づいて、パワーアシスト台車１を動作させている。しかしながら、前述のとおり、従来の技術では、仮想斥力の大きさや方向によっては、操作者が操作していなくても勝手に動いたり、操作者が動作させようとした方向や大きさとは大きく異なる方向や大きさの動作が行われる可能性がある。このように、従来の技術では、安全性に課題が生じる可能性がある。そこで、この課題を解決するために、本発明では、アシスト力算出部１０は、操作者１３がパワーアシスト台車１に加えた操作力Ｆ_opeに基づいて、アシスト力Ｆ_aの大きさを決定する。具体的には、アシスト力算出部１０は、（式６）に従って、アシスト力Ｆ_aを算出する（ステップＳ７）。

ただし、Ｆ_lim（θ^ope _sum）∈Ｒは、アシスト力Ｆ_aの上限値Ｘであり、操作力Ｆ_opeの方向と合力Ｆ_sum（＝操作力Ｆ_ope＋仮想斥力Ｆ_obj）の方向とのなす角θ^ope _sum∈Ｒに基づいて定義される値である（ステップＳ５）。

本実施の形態１では、アシスト力Ｆ_aの上限値ＸであるＦ_lim（θ^ope _sum）の一実施例として、図５〜図８に示すような曲線を設定する（ステップＳ６）。図５〜図８に示すように、アシスト力Ｆ_aの上限値ＸであるＦ_lim（θ^ope _sum）は、操作力Ｆ_opeの方向と合力Ｆ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumが所定の角度範囲Ａ（θ⁺ _A＞θ^ope _sum＞−θ⁺ _A）にある場合には、操作力Ｆ_opeの大きさと等しく設定される。しかしながら、操作力Ｆ_opeの方向と合力Ｆ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumが所定の角度範囲Ｂ（θ⁺ _B＞θ^ope _sum≧θ⁺ _A ｏｒ −θ⁻ _A＞θ^ope _sum＞−θ⁻ _B）にある場合には、操作力Ｆ_opeの方向と合力Ｆ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumの絶対値｜θ^ope _sum｜が大きくなるに従い、操作力Ｆ_opeの大きさから徐々に小さくなるように設定する。さらに、操作力Ｆ_opeの方向と合力の方向Ｆ_sumのなす角θ^ope _sumが所定の角度範囲Ｃ（θ^ope _sum≧θ⁺ _B ｏｒ −θ⁻ _B＞θ^ope _sum）にある場合には、アシスト力Ｆ_aの上限値ＸであるＦ_lim（θ^ope _sum）がゼロになるように設定する。

図５は、操作力Ｆ_opeの方向と合力Ｆ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumが所定の角度範囲Ａ（θ⁺ _A＞θ^ope _sum＞−θ⁻ _A）にあり、かつ、合力Ｆ_sumの大きさがアシスト力Ｆ_aの上限値Ｘよりも小さい場合のアシスト力Ｆ_aの決定例を示すものである。

図６は、操作力Ｆ_opeの方向と合力Ｆ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumが所定の角度範囲Ａ（θ⁺ _A＞θ^ope _sum＞−θ⁻ _A）にあり、かつ、合力Ｆ_sumの大きさがアシスト力Ｆ_aの上限値Ｘよりも大きい場合のアシスト力Ｆ_aの決定例を示すものである。

図７は、操作力Ｆ_opeの方向と合力Ｆ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumが所定の角度範囲Ｂ（θ⁺ _B＞θ^ope _sum≧θ⁺ _A ｏｒ −θ⁻ _A≧θ^ope _sum＞−θ⁻ _B）にあり、かつ、合力Ｆ_sumの大きさがアシスト力Ｆ_aの上限値Ｘであるよりも大きい場合のアシスト力Ｆ_aの決定例を示すものである。

図８は、操作力Ｆ_opeの方向と合力Ｆ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumが所定の角度範囲Ｃ（θ^ope _sum≧θ⁺ _B ｏｒ −θ⁻ _B≧θ^ope _sum）にある場合のアシスト力Ｆ_aの決定例を示すものである。

これらを具体的に数式で表すと、（式７）のように定義できる。

ただし、k₁（θ^ope _sum）∈Ｒは、アシスト力Ｆ_aの上限値の大きさを変更するための変数であり、操作力Ｆ_opeの方向と合力Ｆ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumに基づいて定義される値（０＜k₁（θ^ope _sum）＜１）である。

なお、本実施の形態１では、角度範囲Ａ〜Ｃを定義するθ⁺ _A、θ⁻ _A、θ⁺ _B、θ⁻ _Bの具体的な値として、θ⁺ _A＝θ⁻ _A＝３０°、θ⁺ _B＝θ⁻ _B＝６０°の場合を考える。この場合、アシスト力Ｆ_aの上限値ＸであるＦ_lim（θ^ope _sum）は、操作力Ｆ_opeの方向と合力Ｆ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumが比較的小さい場合（３０°＞θ^ope _sum＞−３０°）には、操作力Ｆ_opeの大きさと等しく設定される。しかしながら、操作力Ｆ_opeの方向と合力Ｆ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumが比較的大きい場合（６０°＞θ^ope _sum≧３０° ｏｒ −３０°≧θ^ope _sum＞−６０°）には、操作力Ｆ_opeの方向と合力Ｆ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumの絶対値｜θ^ope _sum｜が大きくなるに従い、操作力Ｆ_opeの大きさから徐々に小さくなるように設定される。さらに、操作力Ｆ_opeの方向と合力の方向Ｆ_sumとのなす角θ^ope _sumが非常に大きい場合（θ^ope _sum≧６０° ｏｒ −６０°≧θ^ope _sum）には、アシスト力Ｆ_aの上限値ＸであるＦ_lim（θ^ope _sum）がゼロになるように設定される。

このようにアシスト力Ｆ_aの上限値Ｘを設定することにより、以下のような効果を得ることができる。

まず、操作力Ｆ_opeの方向と合力Ｆ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumが所定の角度範囲Ａ（３０°＞θ^ope _sum＞−３０°）にある場合、すなわち、操作者１３が行った操作の方向（＝操作力Ｆ_opeの方向）と、実際に動作する方向（＝合力Ｆ_sumの方向）がほぼ一致している場合には、操作者１３が想定した大きさ（＝操作者１３が加えた操作力Ｆ_opeの大きさ）のアシスト力Ｆ_aが生成される。これにより、操作者１３の意図どおりの動作が実現できる。しかしながら、操作力Ｆ_opeの方向と合力Ｆ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumが所定の角度範囲Ｂ（６０°＞θ^ope _sum≧３０° ｏｒ −３０°≧θ^ope _sum＞−６０°）にある場合、すなわち、操作者１３が行った操作の方向（＝操作力Ｆ_opeの方向）と、実際に動作する方向（＝合力Ｆ_sumの方向）が所定の角度範囲Ｂ（６０°＞θ^ope _sum≧３０° ｏｒ −３０°≧θ^ope _sum＞−６０°）内でずれている場合には、操作力Ｆ_opeの方向と合力Ｆ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumの絶対値｜θ^ope _sum｜が大きくなるに従い、操作力Ｆ_opeの大きさから徐々に小さくなるように設定される。これにより、操作者１３が意図した方向（＝操作力Ｆ_opeの方向）と実際に動作する方向（＝合力Ｆ_sumの方向）がずれる程、アシスト力の制限が大きくなる、すなわち、意図しない動作が生成されにくくなり、安全性を高めることができる。

さらに、操作力Ｆ_opeの方向と合力Ｆ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumが所定の角度範囲Ｃ（θ^ope _sum≧６０° ｏｒ −６０°≧θ^ope _sum）にある場合、すなわち、操作者１３が意図した方向（＝操作力Ｆ_opeの方向）と実際に動作する方向（＝合力Ｆ_sumの方向）が大きくずれている場合には、アシスト力はゼロとして生成される（すなわち、動作しない）。

これにより、操作者１３の意図から大きくずれた方向への動作は生成されないため、意図しない方向への動作を禁止でき、安全性を高めることができる。

また、パワーアシスト台車１に設定した基準の方向と、操作力Ｆ_opeの方向とのなす角をθ^ref _ope∈Ｒとおき、なす角θ^ref _opeに基づいてアシスト力Ｆ_aの上限値Ｘを変えることにより、より安全性の高い操作を実現することができる。例えば、パワーアシスト台車１に大きな荷物を搭載している場合について考えると、後方は視認性が良いが、前方は視認性が悪いため、主に後方に動作させて（引っ張って）使用することになる。この場合、台車座標系Σ_ｒのＸ_ｒ軸の負の方向に基準の方向を設定する。そして、基準の方向（＝台車座標系Σ_ｒのＸ_ｒ軸の正の方向）と操作力Ｆ_opeの方向とのなす角θ^ref _opeに基づいて、アシスト力Ｆ_aの上限値を修正する。具体的には、（式８）に基づいて、アシスト力Ｆ_aの上限値を設定する。

ただし、k₂（θ^ref _ope）∈Ｒは、アシスト力Ｆ_aの上限値Ｘの大きさを変更するための変数であり、設定した基準の方向と操作力Ｆ_opeの方向とのなす角θ^ref _opeに基づいて定義される値（０＜k₂（θ^ref _ope）＜１）である。

本実施の形態１では、図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、基準の方向（＝台車座標系Σ_ｒのＸ_ｒ軸の正の方向）と操作力Ｆ_opeの方向とのなす角θ^ref _opeの絶対値｜θ^ref _ope｜が大きくなるに従い、k₂（θ^ref _ope）＝１から小さくなり、所定の角度範囲Ｄ（｜θ^ref _ope｜≧θc）よりも大きい場合、k₂（θ^ref _ope）＝０になるように設定する。

図９（ａ）は、基準の方向（＝台車座標系Σ_ｒのＸ_ｒ軸の正の方向）と操作力Ｆ_opeの方向とのなす角θ^ref _opeがゼロの場合のアシスト力Ｆ_aの上限値の設定例を示す。

図９（ｂ）は、基準の方向（＝台車座標系Σ_ｒのＸ_ｒ軸の正の方向）と操作力Ｆ_opeの方向とのなす角θ^ref _opeの絶対値｜θ^ref _ope｜が所定の角度範囲Ｄ（｜θ^ref _ope｜≧θ_C）内にある場合のアシスト力Ｆ_aの上限値の設定例を示す。

図９（ｃ）は、基準の方向（＝台車座標系Σ_ｒのＸ_ｒ軸の正の方向）と操作力Ｆ_opeの方向とのなす角θ^ref _opeの絶対値｜θ^ref _ope｜が所定の角度範囲Ｄ（｜θ^ref _ope｜≧θc）よりも大きい場合のアシスト力Ｆ_aの上限値の設定例を示す。

なお、本実施の形態１では、角度範囲Ｄを定義するθ_Cの具体的な値として、θ_C＝４５°の場合を考える。この場合、基準の方向（＝台車座標系Σ_ｒのＸ_ｒ軸の正の方向）と操作力Ｆ_opeの方向とのなす角θ^ref _opeの絶対値｜θ^ref _ope｜が大きくなるに従い、k₂（θ^ref _ope）＝１から小さくなり、所定の角度範囲Ｄ（｜θ^ref _ope｜≧４５°）よりも大きい場合、k₂（θ^ref _ope）＝０になるように設定する。

このようにアシスト力Ｆ_aの上限値を設定することにより、操作者１３が設定した操作が容易な方向（あるいは、視認性が良く安全に動作できる方向）（｜θ^ref _ope｜＜４５°）には動かし易く、操作が困難な方向（あるいは、視認性が悪く安全に動作できない方向）（｜θ^ref _ope｜≧４５°）には動かし難くすることができる。その結果、より安全性の高い電動車両（パワーアシスト台車１）を構成することができる。

なお、上述の基準の方向（＝台車座標系Σ_ｒのＸ_ｒ軸の正の方向）は、複数設定してもよい。例えば、操作が容易な方向（あるいは、視認性が良く安全に動作できる方向）が２つあれば、その２つの方向を基準の方向として設定してもよい。また、例えば、独立２輪駆動型の車輪構成の場合には、車軸と垂直方向の２方向（前進方向と後退方向）に基準の方向を設定する。この場合、設定した２方向（前進方向と後退方向）が機構的に操作しやすい方向であるため、その方向のアシスト動作は大きく、その方向と異なる方向のアシスト動作は小さく設定することができ、より簡単に制御系を構成することができる。

また、図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、基準の方向（＝台車座標系Σ_ｒのＸ_ｒ軸の正の方向）と操作力Ｆ_opeの方向とのなす角θ^ref _opeの絶対値｜θ^ref _ope｜が大きくなるに従い、θ⁺ _A、θ⁻ _A、θ⁺ _B、θ⁻ _Bを小さくしてもよい（ただし、k₂（θ^ref _ope）＝１）。

図１０（ａ）は、基準の方向（＝台車座標系Σ_ｒのＸ_ｒ軸の正の方向）と操作力Ｆ_opeの方向とのなす角θ^ref _opeがゼロの場合のアシスト力Ｆ_aの上限値の設定例を示すものである。

図１０（ｂ）は、基準の方向（＝台車座標系Σ_ｒのＸ_ｒ軸の正の方向）と操作力Ｆ_opeの方向とのなす角θ^ref _opeの絶対値｜θ^ref _ope｜がある角度（ゼロでない角度）を有する場合のアシスト力Ｆ_aの上限値の設定例を示すものである。

図１０（ｃ）は、基準の方向（＝台車座標系Σ_ｒのＸ_ｒ軸の正の方向）と操作力Ｆ_opeの方向とのなす角θ^ref _opeの絶対値｜θ^ref _ope｜が、図１０（ｂ）よりも大きい場合のアシスト力Ｆ_aの上限値の設定例を示すものである。このようにアシスト力Ｆ_aの上限値を設定することによっても、操作者１３が設定した操作が容易な方向（あるいは、視認性が良く安全に動作できる方向）には動かし易く、操作が困難な方向（あるいは、視認性が悪く安全に動作できない方向）には動かし難くすることができる。その結果、より安全性の高い電動車両（パワーアシスト台車１）を構成することができる。

また、操作力Ｆ_opeとして、力だけでなく同時にモーメントが作用している場合には、作用しているモーメントの大きさ及び方向に基づき、θ⁺ _A、θ⁻ _A、θ⁺ _B、θ⁻ _Bを変更してもよい。例えば、図１１に示すように、操作力Ｆ_opeとして、力だけでなく反時計回りにモーメントが作用している場合には、モーメントが作用していない場合のθ⁺ _A、θ⁺ _Bの値の２〜３倍の大きさを上限値として、モーメントの大きさに比例して、θ⁺ _A、θ⁺ _Bの値を大きく設定する。反対に、操作力Ｆ_opeとして、力だけでなく時計回りにモーメントが作用している場合には、モーメントが作用していない場合のθ⁻ _A、θ⁻ _Bの値の２〜３倍の大きさを上限値として、モーメントの大きさに比例して、θ⁻ _A、θ⁻ _Bの値を大きく設定する。このように設定することにより、操作力Ｆ_opeとして、力だけでなく同時にモーメントが作用している場合には、モーメントが作用している方向に、より動作し易くすることができ、操作性を向上させることができる。

以上より、操作者１３が操作していなくても勝手にアシスト力が生成されることや、操作者１３が操作した方向や大きさとは全く異なる方向や大きさのアシスト力が生成されることを防止できる。その結果、安全性の高い電動車両（パワーアシスト台車１）を構成することができる。

次に、アシスト動作算出部１１は、アシスト力算出部１０で算出したアシスト力Ｆ_aに基づくインピーダンス制御を行う（ステップＳ８）。具体的には、（式９）の見かけの質量特性、（式１０）の見かけの粘性特性から構成される（式１１）に示すインピーダンス特性に基づき、パワーアシスト台車１のアシスト動作を生成する。

ただし、Ｖ_aはパワーアシスト台車１のアシスト動作速度、Ｖ^d _aはアシスト動作加速度である。（式１１）は（式１２）のように変形できる。

ただし、Ｌ［］はラプラス変換を表し、Ｌ⁻¹［］はラプラス逆変換を表す。従って、アシスト動作算出部１１では、アシスト力算出部１０で算出した（式１３）のアシスト力を入力として、（式１２）に従って、パワーアシスト台車１のアシスト動作速度Ｖ_aを算出する。

次に、駆動制御部１２では、アシスト動作算出部１１が算出したパワーアシスト台車１のアシスト動作速度を車輪５の指令回転速度に変換する（ステップＳ９）。ここで、車輪５の指令回転速度を（式１４）とおくと、図２に示す車輪構成及び車輪配置の場合、パワーアシスト台車１のアシスト動作速度Ｖ_aと、車輪５の指令回転速度Ω_aの間には、（式１５）の関係式が成り立つ。

ただし、図２に示すように、Ｌ_ｗ∈Ｒは左右の車輪５間の距離の半分であり、Ｌ_d∈Ｒは前後の車輪５間の距離の半分である。また、ｒ∈Ｒは車輪５の半径である。（式１５）は（式１６）のように変形できる。

従って、駆動制御部１２は、アシスト動作算出部１１が算出したパワーアシスト台車１のアシスト動作速度Ｖ_aを入力として、（式１６）から、車輪５の指令回転速度Ω_aを算出することができる。車輪駆動部６では、駆動制御部１２が算出した車輪５の指令回転速度に、車輪５が追従するように速度制御を行うことにより、車輪５を駆動させて、パワーアシスト台車１を動作させることができる（ステップＳ１０）。

以上より、操作者１３がハンドル３に加えた操作力Ｆ_opeに基づくパワーアシスト台車１の動作を実現できる。なお、本実施の形態１では、図１に示すようなパワーアシスト台車１を用いて説明したが、本発明は、この構成に限るものではない。本実施の形態１は、図２６に示すようなパワーアシストカート１５や、買い物カートなど、様々な操作型の電動車両に適用することができる。

（実施の形態２）
以下、本発明の他の実施の形態に係る電動車両である電動車いすを説明する。

図１２は、本発明の実施の形態２における電動車いす１０１の斜視図、図１３は、本実施の形態２における電動車いす１０１を下方から見た図である。

なお、電動車いす１０１に固定され、電動車いす１０１の運動と共に動く座標系を電動車いす座標系Σ_ｗ（互いに直交する三つのＸ_ｗ軸、Ｙ_ｗ軸およびＺ_ｗ軸を有する座標系）としている（図１１参照）。電動車いす座標系Σ_ｗのＸ_ｗ軸とＹ_ｗ軸から構成される平面は地面に対して平行な水平面とし、Ｘ_ｗ軸が電動車いす１０１の前方を向いているものとする。電動車いす１０１の現在位置は、図１３に設定されている基準座標系Σ₀に対する電動車いす座標系Σ_ｗの位置ベクトル及び姿勢として定義される。これらの図において、電動車いす１０１は、操作者（図示略）が搭乗する座面部１０２、操作者の左右の腕を置く右側アームレスト１０３ａ、左側アームレスト１０３ｂを備えている。なお、電動車いす座標系Σ_ｗの原点は座面部１０２の中央（後述する４輪の車輪１０５の中心）に設定している。

右側アームレスト１０３には、操作量計測部１０４が設けられている。操作量計測部１０４は、操作者が電動車いす１０１に対し、動作指示を行うためのジョイスティック１０４ａを備えている。操作量計測部１０４は、ジョイスティック１０４ａの操作量、つまり操作者がジョイスティック１０４ａを傾けた量、および、方向から、操作者が行った動作指示の大きさ及び方向（電動車いす座標系Σ_ｗのＸ_ｗ軸方向、Ｙ_ｗ軸方向の並進動作指示及びＺｗ軸回りの回転動作指示）を計測することができる装置である。

座面部１０２の下側には、電動車いす１０１を走行させる車輪１０５と、車輪１０５を駆動させる車輪駆動部１０６、電動車いす１０１の制御系を構成するコントローラ１０７が設けられている。電動車いす１０１の具体的な制御則は、このコントローラ１０７によって実現される。

本実施の形態２では、車輪１０５として、一般に市販されている全方向移動車輪であるオムニホイールを４個用い、図１３に示すような車輪構成及び車輪配置とする。なお、説明は省略するが、一般に市販されている中空タイヤ２個を用いた独立２輪駆動型の車輪構成をとってもよい。この場合には、パワーアシスト台車１を安定して支えるために、補助輪として、一般に市販されているキャスタを複数個用いることが望ましい。

また、車輪駆動部１０６は、減速機１０６ａ、電動モータ１０６ｂ、電動モータの回転角度を計測するエンコーダ１０６ｃ、電動モータ１０６ｂを駆動するためのサーボドライバ１０６ｄから構成されている。本実施の形態２では、電動モータ１０６ｂは指令された速度で動作するように速度制御されているものとする。

また、座面部１０２の側面には、電動車いす１０１から障害物１４までの距離と方向を計測する障害物計測部１０８が設けられている。この障害物計測部１０８の出力情報は、電動車いす座標系Σ_ｗを基準とする情報である。本実施の形態２では、障害物計測部１０８として、一般に市販されているレーザー測域センサ１０８ａを、座面部１０２の角四隅に設けている。このレーザー測域センサ１０８ａは、検出範囲が周囲２７０度であるため、座面部１０２の角四隅に設けることにより、電動車いす１０１の全方向に存在する障害物までの距離及び方向を計測することができる。

ここで、図１４は電動車いす１０１のシステム構成を示すブロック図である。

図１４に示すように、電動車いす１０１は、操作量計測部１０４、目標操作速度算出部１１０、障害物計測部１０８、障害物回避速度算出部１０９、アシスト動作速度算出部１１１、駆動制御部１１２、車輪駆動部１０６、車輪１０５を備えている。

前述のとおり、操作量計測部１０４は、操作者がジョイスティック１０４ａに対して行った操作量の大きさ及び方向を計測する装置である。

そして、目標操作速度算出部１１０は、操作量計測部１０４で計測した操作量（電動車いす座標系Σ_ｗのＸ_ｗ軸方向、Ｙ_ｗ軸方向、Ｚ_ｗ軸回りの操作量）に基づき、目標操作速度（電動車いす座標系Σ_ｗのＸ_ｗ軸方向、Ｙ_ｗ軸方向の目標操作並進速度及びＺ_ｗ軸回りの目標操作回転速度）を算出する処理部である。

また、前述のとおり、障害物計測部１０８は、電動車いす１０１と障害物１４までの距離と方向を計測する装置である。

そして、障害物回避速度算出部１０９は、障害物計測部１０８が計測した障害物１４までの距離及び方向に基づいて、電動車いす１０１を障害物１４から遠ざけるための障害物回避速度を算出する処理部である。この障害物回避速度に基づいて、電動車いす１０１を動作させることにより、障害物１４との衝突を回避させることができる。

また、アシスト動作速度算出部１１１は、目標操作速度算出部１１０が算出した目標操作速度と、障害物回避速度算出部１０９が算出した障害物回避速度の合成速度から、電動車いす１０１に対するアシスト動作速度を算出し、駆動制御部１１２に出力する処理部である。

駆動制御部１１２は、アシスト動作速度算出部１１１が算出したアシスト動作速度を、各車輪１０５の指令回転速度に変換し、車輪駆動部１０６に出力する処理部である。

この時、目標操作速度及び障害物回避速度は、電動車いす座標系Σ_ｗを基準とした情報である。

また、車輪駆動部１０６は、駆動制御部１１２で変換された指令回転速度となるように車輪１０５を制御する処理部である。

以上の構成により、操作者の操作に基づいた動作を行う電動車いす１０１を実現することができる。

次に、このような構成において、図１５に示すフローチャートに従って、具体的な制御則を用いた実施例について説明する。

はじめに、操作量計測部１０４が、操作者がジョイスティック１０４ａに対して行った操作の大きさ及び方向を計測する（ステップＳ１０１）。いま、操作者がジョイスティック１０４ａに対して行った操作量をΔＸ_joy ＝［Δｘ_joy Δｙ_joy Δθ_joy］∈Ｒ³とおく。ただし、Δｘ_joy、Δｙ_joy、Δθ_joy ∈Ｒはそれぞれ、電動車いす座標系Σ_ｗのＸ_ｗ軸方向、Ｙ_ｗ軸方向、Ｚ_ｗ軸回りに行われた操作量である。目標操作速度算出部１１０では、操作量計測部１０４で計測した操作量ΔＸ_joyに比例した大きさを有する（式１７）の目標操作速度Ｖ_ope（電動車いす座標系Σ_ｗのＸ_ｗ軸方向、Ｙ_ｗ軸方向の目標操作並進速度及びＺ_ｗ軸回りの目標操作回転速度）を、（式１８）に従って算出する（ステップＳ１０２）。

ただし、（式１９）のＫ_joyは、目標操作速度算出定数であり、正の値を有する。また、操作が行われていない場合は、目標操作速度はゼロとして算出する。

次に、障害物計測部８は、電動車いす１０１から障害物１４までの距離及び方向を計測する（ステップＳ１０３）。

次に、障害物回避速度算出部１０９は、電動車いす１０１を障害物１４から遠ざけるための障害物回避速度を算出する。まず、障害物１４までの距離に応じた斥力ポテンシャルＵ_obj（Ｘ）∈Ｒを（式２）に基づいて生成する（ステップＳ１０４）。

ただし、Ｘ＝［ｘｙ θ］^T∈Ｒ³は、電動車いす１０１の現在位置を表すベクトル、η∈Ｒは正の重み係数、ρ（Ｘ）∈ＲはＸから障害物１４への最近接距離を表し、ρ₀∈Ｒは正の定数である。斥力ポテンシャルＵ_obj（Ｘ）はゼロ以上であり、電動車いす１０１が障害物領域に近づくほど無限大に近くなり、電動車いす１０１から障害物１４への距離がρ₀以上のときゼロとなる。

ここで、電動車いす１０１に指令する障害物回避速度を（式２１）とおくと、障害物回避速度Ｖ_objは、（式２０）で算出した斥力ポテンシャルを用いて、（式２２）のように求めることができる（ステップＳ１０５）。

ただし、∇Ｕ_obj（Ｘ）は、電動車いす１０１の現在位置ＸにおけるＵ_obj（Ｘ）のこう配ベクトルを意味する。（式２０）、（式２２）から、電動車いす１０１の現在位置Ｘにおける障害物回避速度は（式２３）のように表すことができる。

生成した障害物回避速度は、障害物１４までの距離に反比例する大きさであり、かつ、障害物１４の方向と反対向きに指令する仮想的な速度である。電動車いす１０１を障害物回避速度に従って動作させることにより、障害物１４を回避することができる。

いま、目標操作速度Ｖ_opeと障害物回避速度Ｖ_objの合成速度を（式２４）とおくと、目標操作速度Ｖ_opeと障害物回避速度Ｖ_objの合成速度Ｖ_sumは（式２５）で表される。

ここで、従来提案されている技術では、この合成速度Ｖ_sumをアシスト動作速度Ｖ_aと設定し、このアシスト動作速度Ｖ_a（＝Ｖ_ope＋Ｖ_obj）に基づいて、電動車いす１０１を動作させていた。しかしながら、従来提案されている技術では、前述のとおり、障害物回避速度の大きさや方向によっては、操作者が操作せずとも勝手に動作する可能性、あるいは、操作者が動作させようとした方向や大きさとは大きく異なる方向や大きさの動作が行われる可能性があり、安全性に課題が生じる可能性があった。

そこで、この課題を解決するために、本実施の形態２では、アシスト動作速度算出部１１１において、目標操作速度Ｖ_opeに基づいて、アシスト動作速度Ｖ_aの大きさを決定する。ここで、目標操作速度は、目標操作速度Ｖ_opeは、操作者が電動車いす１０１に加えた操作量の大きさに比例して生成された速度である。具体的には、アシスト動作速度算出部は、（式２５）に従って、アシスト動作速度Ｖ_aを算出する（ステップＳ１０８）。

ただし、Ｖ_lim（θ^ope _sum）∈Ｒは、アシスト動作速度Ｖ_aの上限値Ｙであり、目標操作速度Ｖ_opeの方向と合成速度Ｖ_sum（＝目標操作速度Ｖ_ope＋障害物回避速度Ｖ_obj）の方向とのなす角θ^ope _sum∈Ｒに基づいて定義される値である（ステップＳ１０６）。

本実施の形態２では、アシスト動作速度Ｖ_aの上限値ＹであるＶ_lim（θ^ope _sum）の一実施例として、図１６〜図２２に示すような曲線を設定する（ステップＳ１０７）。図１６〜図２２に示すように、アシスト動作速度Ｖ_aの上限値ＹであるＶ_lim（θ^ope _sum）は、目標操作速度Ｖ_opeの方向と合成速度Ｖ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumが所定の角度範囲Ａ（θ⁻ _A＞θ^ope _sum≧−θ⁺ _A ）にある場合には、目標操作速度Ｖ_opeの大きさと等しく設定される。しかしながら、目標操作速度Ｖ_opeの方向と合成速度Ｖ_sumの方向とのなす角が所定の角度範囲Ｂ（θ ⁺ _B＞θ^ope _sum≧θ⁺ _A ｏｒ −θ⁻ _A≧θ^ope _sum＞−θ⁺ _B）にある場合には、目標操作速度Ｖ_opeの方向と合成速度Ｖ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumの絶対値｜θ^ope _sum｜が大きくなるに従い、目標操作速度Ｖ_opeの大きさから徐々に小さくなるように設定する。さらに、目標操作速度Ｖ_opeの方向と合成速度Ｖ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumが所定の角度範囲Ｃ（θ^ope _sum≧θ⁺ _B ｏｒ −θ⁻ _B≧θ^ope _sum）にある場合には、アシスト動作速度Ｖ_aの上限値ＹであるＶ_lim（θ^ope _sum）がゼロになるように設定する。

図１６は、目標操作速度Ｖ_opeの方向と合成速度Ｖ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumが所定の角度範囲Ａ（θ⁻ _A＞θ^ope _sum≧−θ⁺ _A）にあり、かつ、合成速度Ｖ_sumの大きさがアシスト動作速度Ｖaの上限値Ｙよりも小さい場合のアシスト動作速度Ｖ_aの決定例を示すものである。

図１７は、目標操作速度Ｖ_opeの方向と合成速度Ｖ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumが所定の角度範囲Ａ（θ⁻ _A＞θ^ope _sum≧−θ⁺ _A）にあり、かつ、合成速度Ｖ_sumの大きさがアシスト動作速度Ｖ_aの上限値Ｙよりも大きい場合のアシスト動作速度Ｖ_aの決定例を示すものである。

図１８は、目標操作速度Ｖ_opeの方向と合成速度Ｖ_sumの方向とのなす角が所定の角度範囲Ｂ（θ⁺ _B＞θ^ope _sum≧θ⁺ _A ｏｒ −θ⁻ _A＞θ^ope _sum≧−θ⁻ _B）にあり、かつ、合成速度Ｖ_sumの大きさがアシスト動作速度Ｖ_aの上限値Ｙよりも大きい場合のアシスト力Ｆ_aの決定例を示すものである。

図１９は、目標操作速度Ｖ_opeの方向と合成速度Ｖ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumが所定の角度範囲Ｃ（θ^ope _sum≧θ⁺ _B ｏｒ −θ⁻ _B≧θ^ope _sum）にある場合のアシスト力Ｆ_aの決定例を示すものである。

これらを、具体的に数式で表すと、（式２７）のように定義できる。

ただし、k₁（θ^ope _sum）∈Ｒは、アシスト動作速度Ｖ_aの大きさを変更するための変数であり、目標操作速度Ｖ_opeの方向と合成速度Ｖ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumに基づいて定義される値（０＜k₁（θ^ope _sum）＜１）である。

なお、本実施の形態２では、角度範囲Ａ〜Ｃを定義するθ⁺ _A、θ⁻ _A、θ⁺ _B、θ⁻ _Bの具体的な値として、θ⁺ _A＝θ⁻ _A＝３０°、θ⁺ _B＝θ⁻ _B＝６０°の場合を考える。この場合、アシスト動作速度Ｖ_aの上限値ＹであるＶ_lim（θ^ope _sum）は、目標操作速度Ｖ_opeの方向と合成速度Ｖ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumが所定の角度範囲Ａ（３０°＞θ^ope _sum＞−３０°）にある場合には、目標操作速度Ｖ_opeの大きさと等しく設定される。しかしながら、目標操作速度Ｖ_opeの方向と合成速度Ｖ_sumの方向とのなす角が所定の角度範囲Ｂ（６０°＞θ^ope _sum≧３０° ｏｒ −３０°≧θ^ope _sum＞−６０°）にある場合には、目標操作速度Ｖ_opeの方向と合成速度Ｖ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumの絶対値｜θ^ope _sum｜が大きくなるに従い、目標操作速度Ｖ_opeの大きさから徐々に小さくなるように設定される。さらに、目標操作速度Ｖ_opeの方向と合成速度Ｖ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumが所定の角度範囲Ｃ（θ^ope _sum≧３０° ｏｒ −３０°≧θ^ope _sum）にある場合には、アシスト動作速度Ｖ_aの上限値ＹであるＶ_lim（θ^ope _sum）がゼロになるように設定される。

このようにアシスト動作速度Ｖ_aの上限値Ｙを設定することにより、以下のような効果を得ることができる。

まず、目標操作速度Ｖ_opeの方向と合成速度Ｖ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumが所定の角度範囲Ａ（θ⁻ _A＞θ^ope _sum≧−θ⁺ _A）にある場合、すなわち、操作者が行った操作の方向（＝目標操作速度Ｖ_opeの方向）と、実際に動作する方向（＝合成速度Ｖ_sumの方向）がほぼ一致している場合には、操作者が想定した大きさ（＝目標操作速度Ｖ_opeの大きさ）のアシスト動作速度Ｖ_aが生成される。これにより、操作者の意図どおりの動作が実現できる。

しかしながら、目標操作速度Ｖ_opeの方向と合成速度Ｖ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumが所定の角度範囲Ｂ（θ⁺ _B＞θ^ope _sum≧θ⁺ _A ｏｒ −θ⁻ _A≧θ^ope _sum＞−θ⁻ _B）にある場合、すなわち、操作者が行った操作の方向（＝目標操作速度Ｖ_opeの方向）と、実際に動作する方向（＝合成速度Ｖ_sumの方向）が所定の角度範囲Ｂ（θ⁺ _B＞θ^ope _sum≧θ⁺ _A ｏｒ −θ⁻ _A≧θ^ope _sum＞−θ⁻ _B）内でずれている場合には、目標操作速度Ｖ_opeの方向と合成速度Ｖ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumの絶対値｜θ^ope _sum｜が大きくなるに従い、目標操作速度Ｖ_opeの大きさから徐々に小さくなるように設定される。これにより、操作者が意図した方向（＝目標操作速度Ｖ_opeの方向）と実際に動作する方向（＝合成速度Ｖ_sumの方向）がずれる程、アシスト動作速度Ｖ_aの制限が大きくなる、すなわち、意図しない動作が生成されにくくなり、安全性を高めることができる。

さらに、目標操作速度Ｖ_opeの方向と合成速度Ｖ_sumの方向とのなす角θ^ope _sumが所定の角度範囲Ｃ（θ^ope _sum≧θ⁺ _B ｏｒ −θ⁻ _B≧θ^ope _sum）にある場合、すなわち、操作者が意図した方向（＝目標操作速度Ｖ_opeの方向）と実際に動作する方向（＝合成速度Ｖ_sumの方向）が大きくずれている場合には、アシスト動作速度Ｖ_aはゼロとして生成される（すなわち、動作しない）。これにより、操作者の意図から大きくずれた方向への動作は生成されないため、意図しない方向への動作を禁止でき、安全性を高めることができる。

また、電動車いす１０１に設定した基準の方向と、目標操作速度Ｖ_opeの方向とのなす角をθ^ref _ope∈Ｒとおくと、さらに、なす角θ^ref _opeに基づいてアシスト動作速度Ｖ_aの上限値Ｙを変えることにより、より安全性の高い操作を実現することができる。例えば、電動車いす１０１では、前方は視認性がよいが、後方は視認性が悪いため、主に前方に動作させて使用する。そこで、電動車いす座標系Σ_ｗのＸ_ｗ軸の正の方向に基準の方向を設定する。そして、基準の方向（＝電動車いす座標系Σ_ｗのＸ_ｗ軸の正の方向）と目標操作速度Ｖ_opeの方向とのなす角θ^ref _opeに基づいて、アシスト動作速度Ｖ_aの上限値Ｙを修正する。具体的には、（式２８）に基づいて、アシスト動作速度Ｖ_aの上限値Ｙを設定する。

ただし、k₂（θ^ref _ope）∈Ｒは、アシスト動作速度Ｖ_aの上限値Ｙの大きさを変更するための変数であり、設定した基準の方向と目標操作速度Ｖ_opeの方向とのなす角θ^ref _opeに基づいて定義される値（０＜k₂（θ^ref _ope）＜１）である。本実施の形態２では、図２０（ａ）〜（ｃ）に示すように、基準の方向（＝電動車いす座標系Σ_wのＸ_w軸の正の方向）と目標操作速度Ｖ_opeの方向とのなす角θ^ref _opeの絶対値｜θ^ref _ope｜が大きくなるに従い、k₂（θ^ref _ope）＝１から小さくなり、所定の角度範囲Ｄ（｜θ^ref _ope｜≧θ_C）よりも大きい場合、k₂（θ^ref _ope）＝０になるように設定する。図２０（ａ）は、基準の方向（＝電動車いす座標系Σ_wのＸ_w軸の正の方向）と目標操作速度Ｖ_opeの方向とのなす角θ^ref _opeがゼロの場合のアシスト動作速度Ｖ_aの上限値Ｙの設定例を示すものである。

図２０（ｂ）は、基準の方向（＝電動車いす座標系Σ_ｗのＸ_ｗ軸の正の方向）と目標操作速度Ｖ_opeの方向とのなす角θ^ref _opeの絶対値｜θ^ref _ope｜が所定の角度範囲Ｄ（｜θ^ref _ope｜≧θ_C）内にある場合のアシスト動作速度Ｖ_aの上限値Ｙの設定例を示すものである。

図２０（ｃ）は、基準の方向（＝電動車いす座標系Σ_ｗのＸ_ｗ軸の正の方向）と目標操作速度Ｖ_opeの方向とのなす角θ^ref _opeの絶対値｜θ^ref _ope｜が所定の角度範囲Ｄ（｜θ^ref _ope｜≧θ_C）よりも大きい場合のアシスト動作速度Ｖ_aの上限値Ｙの設定例を示すものである。

なお、本実施の形態２では、角度範囲Ｄを定義するθ_Cの具体的な値として、θ_C＝４５°の場合を考える。この場合、基準の方向（＝電動車いす座標系Σ_ｗのＸ_ｗ軸の正の方向）と目標操作速度Ｖ_opeの方向とのなす角θ^ref _opeの絶対値｜θ^ref _ope｜が大きくなるに従い、k₂（θ^ref _ope）＝１から小さくなり、所定の角度範囲Ｄ（｜θ^ref _ope｜≧４５°）よりも大きい場合、k₂（θ^ref _ope）＝０になるように設定する。

このようにアシスト動作速度Ｖ_aの上限値Ｙを設定することにより、操作者が設定した操作が容易な方向（あるいは、視認性が良く安全に動作できる方向）（｜θ^ref _ope｜＜４５°）には動かし易く、操作が困難な方向（あるいは、視認性が悪く安全に動作できない方向）（｜θ^ref _ope｜≧４５°）には動かし難くすることができる。その結果、より安全性の高い電動車両を構成することができる。

また、図２１（ａ）〜（ｃ）に示すように、基準の方向（＝電動車いす座標系ΣｗのＸｗ軸の正の方向）と目標操作速度Ｖ_opeの方向とのなす角θ^ref _opeの絶対値｜θ^ref _ope｜が大きくなるに従い、θ⁺ _A、θ⁻ _A、θ⁺ _B、θ⁻ _Bを小さくしてもよい（ただし、k₂（θ^ref _ope）＝１）。

図２１（ａ）は、基準の方向（＝電動車いす座標系Σ_ｗのＸ_ｗ軸の正の方向）と目標操作速度Ｖ_opeの方向とのなす角θ^ref _opeがゼロの場合のアシスト動作速度Ｖ_aの上限値Ｙの設定例を示すものである。

図２１（ｂ）は、基準の方向（＝電動車いす座標系Σ_ｗのＸ_ｗ軸の正の方向）と目標操作速度Ｖ_opeの方向とのなす角θ^ref _opeの絶対値｜θ^ref _ope｜がある角度（ゼロでない角度）を有する場合のアシスト動作速度Ｖ_aの上限値Ｙの設定例を示すものである。

図２１（ｃ）は、基準の方向（＝電動車いす座標系Σ_ｗのＸ_ｗ軸の正の方向）と目標操作速度Ｖ_opeの方向とのなす角θ^ref _opeの絶対値｜θ^ref _ope｜が、図２１（ｂ）よりも大きい場合のアシスト動作速度Ｖ_aの上限値Ｙの設定例を示すものである。

このようにアシスト力Ｆ_aの上限値Ｙを設定することによっても、操作者が設定した操作が容易な方向（あるいは、視認性が良く安全に動作できる方向）には動かし易く、操作が困難な方向（あるいは、視認性が悪く安全に動作できない方向）には動かし難くすることができる。その結果、より安全性の高い電動車両（電動車いす１０１）を構成することができる。

なお、上述の基準の方向（＝電動車いす座標系Σ_ｗのＸ_ｗ軸の正の方向）は、複数設定してもよい。例えば、操作が容易な方向（あるいは、視認性が良く安全に動作できる方向）が２つあれば、その２つの方向を基準の方向として設定してもよい。また、例えば、独立２輪駆動型の車輪構成の場合には、車軸と垂直方向の２方向（前進方向と後退方向）に基準の方向を設定する。この場合、設定した２方向（前進方向と後退方向）が機構的に操作しやすい方向であるため、その方向のアシスト動作は大きく、その方向と異なる方向のアシスト動作は小さく設定することができ、より簡単に制御系を構成することができる。

また、目標操作速度Ｖ_opeとして、目標並進速度だけでなく同時に目標回転速度が作用している場合には、目標回転速度の大きさ及び方向に基づき、θ⁺ _A、θ⁻ _A、θ⁺ _B、θ⁻ _Bを変更してもよい。例えば、図２２に示すように、目標操作速度Ｖ_opeとして、目標並進速度だけでなく反時計回りに目標回転速度が作用している場合には、目標回転速度の大きさに比例して、θ⁺ _A、θ⁺ _Bの値を大きく設定する。反対に、目標操作速度Ｖ_opeとして、目標並進速度だけでなく時計回りに目標回転速度が作用している場合には、目標回転速度の大きさに比例して、θ⁻ _A、θ⁻ _Bの値を大きく設定する。このように設定することにより、目標操作速度Ｖ_opeとして、目標並進速度だけでなく目標回転速度が作用している場合には、目標回転速度が作用している方向により動作し易くすることができ、操作性を向上させることができる。

以上より、操作者が操作していなくても勝手にアシスト動作速度が生成されることや、操作者が操作した方向や大きさとは全く異なる方向や大きさのアシスト動作速度が生成されることを防止できる。その結果、安全性の高い電動車両（電動車いす１０１）を構成することができる。

次に、駆動制御部１１２では、アシスト動作速度算出部１１１が算出した電動車いす１０１のアシスト動作速度Ｖ_aを各車輪の指令回転速度に変換する（ステップＳ１０９）。

ここで、車輪１０５の指令回転速度をΩ_aとおくと、図１３に示す車輪構成及び車輪配置の場合、電動車いす１０１のアシスト動作速度Ｖ_aと、車輪の指令回転速度Ω_aの間には、（式２９）の関係式が成り立つ。

ただし、図１３に示すように、Ｌ_ｗ∈Ｒは左右の車輪１０５間の距離の半分であり、Ｌ_d∈Ｒは前後の車輪１０５間の距離の半分である。また、ｒ∈Ｒは車輪１０５の半径である。（式２９）は（式３０）のように変形できる。

従って、駆動制御部１１２では、アシスト動作速度算出部１１１が算出した電動車いす１０１のアシスト動作速度Ｖ_aを入力として、（式３０）から車輪１０５の指令回転速度Ω_aを算出することができる。車輪駆動部１０６では、駆動制御部１１２が算出した車輪１０５の指令回転速度に、車輪１０５が追従するように速度制御を行うことにより、車輪１０５を駆動させて、電動車いす１０１を動作させることができる（ステップＳ１１０）。

以上より、操作者がジョイスティック１０４ａに対し行った操作に基づく電動車いす１０１の動作を実現できる。

なお、本願発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本明細書において記載した構成要素を任意に組み合わせて実現される別の実施の形態を本願発明の実施の形態としてもよい。また、上記実施の形態に対して本願発明の主旨、すなわち、請求の範囲に記載される文言が示す意味を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例も本願発明に含まれる。

以上述べたように、本発明によれば、操作者が操作していないのに勝手に電動車両が動作することや、操作者が動作させようとした方向や大きさとは大きく異なる方向や大きさで電動車両がアシストされたりすることがなく、安全性の高い操作を実現することができる。そのため、パワーアシスト台車や電動車いす、買い物カートなどの操作者の操作に基づいて動作する電動車両として有用である。

１パワーアシスト台車
２荷台
３ハンドル
４操作力計測部
４ａ力センサ（３軸）
５車輪
６車輪駆動部
６ａ減速機
６ｂ電動モータ
６ｃエンコーダ
６ｄサーボドライバ
７コントローラ
８障害物計測部
８ａレーザー測域センサ
９仮想斥力算出部
１０アシスト力算出部
１１アシスト動作算出部
１２駆動制御部
１３操作者
１４障害物
１５パワーアシストカート
１０１電動車いす
１０２座面部
１０３ａ右側アームレスト
１０３ｂ左側アームレスト
１０４操作量計測部
１０４ａジョイスティック
１０５車輪
１０６車輪駆動部
１０６ａ減速機
１０６ｂ電動モータ
１０６ｃエンコーダ
１０６ｄサーボドライバ
１０７コントローラ
１０８障害物計測部
１０８ａレーザー測域センサ
１０９障害物回避速度算出部
１１０目標操作速度算出部
１１１アシスト動作速度算出部
１１２駆動制御部
２０１操作力
２０２仮想斥力
２０３合力
２０４障害物
２０５パワーアシスト台車
２０５ａ操作部
２０６操作者

Claims

操作者が電動車両に加えた操作力を計測する操作力計測部と、
前記電動車両に対する障害物の位置ベクトルを計測する障害物計測部と、
前記位置ベクトルの大きさに反比例する大きさであり、かつ、前記位置ベクトルの方向と反対方向の仮想斥力を算出する仮想斥力算出部と、
前記電動車両を動作させるためのアシスト力を、前記操作力と前記仮想斥力の合力に基づいて算出し、算出するアシスト力の大きさの上限値Ｘを前記操作力に基づいて算出し、前記アシスト力が前記上限値Ｘを超えている場合、前記上限値Ｘ以下の大きさのアシスト力を出力するアシスト力算出部とを備え、
前記アシスト力算出部は、前記操作力の方向と前記合力の方向とのなす角に基づいて上限値Ｘを算出する電動車両。
前記アシスト力算出部は、前記操作力の大きさを上限値Ｘとする
請求項１に記載の電動車両。
前記アシスト力算出部は、前記操作力の方向と前記合力の方向とのなす角の大きさが大きくなるに従って上限値Ｘが小さくなるように算出する
請求項１〜２いずれかに記載の電動車両。
前記操作力の方向と前記合力の方向とのなす角の大きさθ^ope _sumが、（６０°＞θ^ope _sum＞−６０°）の範囲にある場合、
前記アシスト力算出部は、前記操作力の大きさを上限値Ｘとする
請求項１〜３いずれかに記載の電動車両。
前記操作力の方向と前記合力の方向とのなす角の大きさθ^ope _sumが、θ^ope _sum≧６０° or −６０°≧θ^ope _sumの場合、
前記アシスト力算出部は、上限値Ｘの大きさをゼロとする
請求項１〜４いずれかに記載の電動車両。
前記アシスト力算出部は、前記操作力の方向と前記電動車両に設定された所定の方向Ｅとのなす角の大きさが大きくなるに従って上限値Ｘが小さくなるように算出する
請求項１〜４いずれかに記載の電動車両。
前記操作力の方向と前記電動車両に設定された所定の方向Ｅとのなす角の大きさが、０以上、４５°以下の範囲にある場合、
前記アシスト力算出部は、前記操作力の大きさを上限値Ｘとする、または、すでに設定されている上限値Ｘを変更しないとする
請求項１〜６いずれかに記載の電動車両。
前記操作力がモーメント成分を有する場合は、操作力と合力とのなす角度、操作力と所定の方向とのなす角度の少なくとも何れか一方の大きさを、前記モーメント成分の方向に大きくする
請求項４〜７いずれかに記載の電動車両。
操作者が電動車両に加えた操作量の大きさ及び方向を計測する操作量計測部と、
前記電動車両に対する障害物の位置ベクトルを計測する障害物計測部と、
前記操作量計測部が計測した操作量の大きさ及び方向に基づく前記電動車両の目標操作速度を算出する目標操作速度算出部と、
前記障害物計測部が計測した前記位置ベクトルに基づいて、前記電動車両を前記障害物から遠ざけるための障害物回避速度を算出する障害物回避速度算出部と、
前記電動車両を動作させるためのアシスト動作速度を、前記目標操作速度と前記障害物回避速度の合成速度に基づいて算出し、算出するアシスト動作速度の大きさの上限値Ｙを前記目標操作速度に基づいて算出し、前記アシスト動作速度が前記上限値Ｙを超えている場合、前記上限値Ｙ以下の大きさのアシスト動作速度を出力するアシスト動作速度算出部とを備え、
前記アシスト動作速度算出部は、前記目標操作速度の方向と前記合成速度の方向とのなす角に基づいて上限値Ｙを算出する電動車両。
前記アシスト動作速度算出部は、前記目標操作速度の大きさを上限値Ｙとする
請求項９に記載の電動車両。
前記アシスト動作速度算出部は、前記目標操作速度の方向と前記合成速度の方向とのなす角の大きさが大きくなるに従って上限値Ｙが小さくなるように算出する
請求項９〜１０いずれかに記載の電動車両。
前記目標操作速度の方向と前記合成速度の方向とのなす角の大きさθ^ope _sumが、６０°＞θ^ope _sum＞−６０°の範囲にある場合、
前記アシスト動作速度算出部は、前記目標操作速度の大きさを上限値Ｙとする
請求項９〜１１いずれかに記載の電動車両。
前記目標操作速度の方向と前記合成速度の方向とのなす角の大きさθ^ope _sumが、θ^ope _sum≧６０° ｏｒ −６０°≧θ^ope _sumの場合、
前記アシスト動作速度算出部は、上限値Ｙの大きさをゼロにする
請求項９〜１２いずれかに記載の電動車両。
前記アシスト動作速度算出部は、前記目標操作速度の方向と前記電動車両に設定された所定の方向Ｉとのなす角の大きさが大きくなるに従って上限値Ｙが小さくするように算出する
請求項９〜１３いずれかに記載の電動車両。
前記目標操作速度の方向と前記電動車両に設定された所定の方向Ｉとのなす角の大きさが、０°以上、４５°以下の範囲にある場合、
前記アシスト動作速度算出部は、前記目標操作速度の大きさを上限値Ｙとする、または、設定されている上限値Ｙを変更しないとする
請求項９〜１４いずれかに記載の電動車両。
前記目標操作速度の方向と前記電動車両に設定された所定の方向Ｉとのなす角の大きさをθ^ref _opeとし、前記目標操作速度が回転成分を有する場合は、前記角度θ^ope _sum、θ^ref _opeの少なくとも何れか一方の大きさを、前記回転成分の方向に大きくする
ことを特徴とする請求項１５に記載の電動車両。
請求項１〜１６いずれかに記載の電動車両に操作者が加えた操作力、または、操作量の大きさ及び方向に基づいて前記アシスト動作算出部がアシスト動作速度を生成し、
前記アシスト動作速度に基づき駆動制御部が電動車両の動作を制御することを特徴とする電動車両の制御方法。