JP5935965B1 - 手押し車 - Google Patents

Abstract

変換処理部（３４）は、車輪用ロータリエンコーダ（２５）で検出される車輪（１２）のピッチ方向の回転角度に基づいて現在の本体部（１１）の角速度ωｈを算出する。角速度ωｈは、車輪の回転半径ｒと、本体部の回転半径ｌと、の比から、求めることができる。本体部（１１）をθｈだけ後傾させるためには、車輪（１２）を（ｒ／ｌ）×θｔだけ前方に回転させることになり、ｒθｔ≒ｌθｈの関係が成り立つ。当該数式は、両辺を微分すると、ωｈ≒（ｒ／ｌ）ωｔとなる。変換処理部（３４）は、車輪用ロータリエンコーダ（２５）で検出される車輪（１２）のピッチ方向の回転角度θｔから、現在の本体部（１１）のピッチ方向の角速度ωｈを求めることができる。これにより、制御部（２１）は、ジャイロセンサ等の角速度を検出するセンサを用いずに本体部（１１）の角速度ωｈを検出することができる。

Description

この発明は、車輪を備えた手押し車に関し、特に車輪を駆動、制御する手押し車に関するものである。

従来、車輪を駆動および制御して倒立振子制御を行う二輪車が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特許文献１の倒立二輪車は、本体と、二つの車輪と、二つの車輪を駆動する駆動手段と、を備えている。さらに、特許文献１の倒立二輪車は、本体の姿勢を検出する動作状態検出手段と、駆動速度を検出するセンサ（例えばジャイロセンサ）と、を備えている。

特許文献１の倒立二輪車は、姿勢情報指令と、姿勢検出装置で検出された現在の姿勢（動作状態）と、に基づいてフィードバック制御により駆動速度指令を算出する。さらに、特許文献１の倒立二輪車は、駆動速度指令と、ジャイロセンサで検出された現在の駆動速度と、に基づいてフィードバック制御により駆動手段に印加するトルクを算出する。

特開２０１１−２０７２７７号公報

特許文献１の倒立二輪車は、現在の駆動速度（ピッチ方向の角速度）を検知するためのセンサが必要である。特許文献１では、当該センサの一例として、ジャイロセンサが記載されている。しかし、特許文献１の倒立二輪車では、設計上の都合等によりジャイロセンサを用いずに倒立振子制御を行いたい、という要求を満たすことができない。

また、例えば、手押し車において倒立振子制御を行うためには、ピッチ方向の前後に本体部の回転を制限するストッパを設ける等して、本体部のピッチ方向の回転角度を所定の範囲内に制限することが好ましい。これにより、例えば電源が切れた場合であっても本体部がピッチ方向に必要以上に傾斜することがない。また、利用者が本体部に設けられた把持部に体重をかけた場合であっても、転倒するおそれがなく、利用者に安心感を与えることができる。

しかし、本体部の回転角度が制限された場合、ジャイロセンサで検出される角速度が０となる場合があるため、倒立振子制御が破綻する可能性がある。

そこで、この発明は、角速度を検出するセンサを用いずに倒立振子制御を実現する手押し車を提供することを目的とする。

本発明の手押し車は、本体部と、前記本体部に回転可能に支持されている車輪と、前記車輪をピッチ方向に回転させる駆動部と、前記駆動部をフィードバック制御する制御部と、前記本体部のピッチ方向の回転角度を検出する本体部角度検出部と、前記車輪のピッチ方向の回転角度を検出する車輪角度検出部と、を備えている。

そして、前記制御部は、前記車輪角度検出部が検出した前記車輪のピッチ方向の回転角度に基づいて前記本体部のピッチ方向の角速度を算出し、算出した前記本体部のピッチ方向の角速度と、前記本体部角度検出部が検出した前記本体部のピッチ方向の回転角度と、に基づいて前記本体部のピッチ方向の回転角度が目標回転角度になるように前記駆動部を制御することを特徴とする。

このように、制御部は、車輪のピッチ方向の回転角度から本体部の角速度を算出することで、ジャイロセンサ等の角速度を検出するセンサを用いずに本体部の角速度を検出することができる。したがって、本発明の手押し車は、本体部の角速度を検出するセンサを用いずに倒立振子制御を実現することができる。

具体的には、本体部の角速度は、車輪の回転半径と、本体部の回転半径と、の比を車輪の回転角度に乗算して微分することにより求めることができる。例えば、車輪の回転半径をｒ、本体部の回転半径をｌ、車輪の回転角度をθｔとすれば、（ｒ／ｌ）×θｔだけ車輪を回転させると、本体部の目標回転角度θｈｒと、現在の本体部の回転角度θｈと、の偏角が０となる。したがって、ｒθｔ≒ｌθｈの関係式が成り立ち、当該関係式の両辺を微分すると、本体部の回転角速度ωｈは、ωｈ≒（ｒ／ｌ）ωｔの式から求めることができる。ただし、当該関係式は、利用者Ｕが本体部１１を移動させていないとき、または車輪１２が回転していないときに成り立つものである。

また、目標角速度ωｈｒは、本体部の目標回転角度θｈｒと、本体部の現在の回転角度θｈと、の差分に所定の応答係数Ｋｐ（１／ｓ）を乗算することで求めることができる。制御部は、本体部のピッチ方向の角速度ωｈと目標角速度ωｈｒとの偏差が０となる角加速度αｈｒを算出する。最後に、制御部は、当該算出した角加速度に慣性モーメント、減速比、および効率等の値を乗算することで、駆動部が車輪に印加するトルクを算出する。

このようにして、制御部は、駆動部をフィードバック制御することで倒立振子制御を行う。

なお、手押し車は、目標角速度を本体部の進行速度に変換し、該変換後の進行速度を所定の速度に制限し、制限後の進行速度を再度、目標角速度に変換する速度制限手段を備えた態様であってもよい。

このように、フィードバック制御の入力となる目標角速度を制限することで、例えば利用者が手押し車を強く押した場合にも、手押し車の進行速度が制限速度を超えないようにすることができる。

また、車輪に対するブレーキ操作を受け付けるブレーキ操作受付部を備えた態様である場合、制御部は、ブレーキ操作の操作量が大きくなるにつれて目標角速度を小さくすることで、ブレーキの握り具合に応じた速度制限を実現することもできる。

この発明によれば、角速度を検出するセンサを用いずに倒立振子制御を実現することができる。

手押し車の側面図である。 図２（Ａ）は、手押し車の正面図であり、図２（Ｂ）は、手押し車の平面図である。 手押し車のハードウェア構成を示すブロック線図である。 図４（Ａ）は、本体部のピッチ角度の制限を説明するための図であり、図４（Ｂ）は、本体部のピッチ角度と、車輪の回転角度との関係を示す図である。 制御部の制御構成図である。 変形例に係る制御部の制御構成図である。 変形例に係る手押し車１０Ａのハードウェア構成を示すブロック線図である。 変形例に係る手押し車１０Ｂのハードウェア構成を示すブロック線図である。 進行速度の制限処理を示すフローチャートである。

図１は、手押し車１０の左側面図であり、図２（Ａ）は、正面図であり、図２（Ｂ）は、平面図である。

手押し車１０は、鉛直方向（図中Ｚ方向）において相対的に長く、奥行き方向（図中Ｙ方向）および左右方向（図中Ｘ方向）において相対的に短い形状の本体部１１を備えている。本体部１１の鉛直下方向の下部のうち、左右方向の端部には、一対の車輪１２が取り付けられている。この実施形態においては、車輪１２は２輪である例を示しているが、１輪あるいは３輪以上であってもよい。

車輪１２は、それぞれ中心軸を有する車輪１２の回転軸（車軸）の周りに回転する。すなわち、ピッチ方向に回転可能になっている。この例では、車輪１２は、ヨー方向およびロール方向には回転しないが、例えばヨー方向に回転可能にして本体部１１に対して向きを変える態様としてもよい。

各車輪１２に連結された２つの棒状の本体部１１は、上部で把持部１５に接続され、車輪１２の軸を中心としてピッチ方向に回転可能になっている。ただし、本体部１１は、この例のように２つの棒状である必要はなく、１つの棒状の部材であってもよいし、薄い板状の部材等であってもよい。また、本体部１１の下部付近には、制御用の基板や電池等を内蔵したボックス１６が配置されている。なお、本体部１１は、実際にはカバーが取り付けられ、内部の基板等が外観上見えないようになっている。

把持部１５は、左右方向に長い円筒形状であり、左右端付近で進行方向に対して逆方向（後方）に向かって曲げられ、後方に向かって延びている。これにより、利用者が把持部１５を把持する位置を後方にシフトさせることができ、利用者の足元の空間を広くすることができる。

車輪１２の回転軸には、後方に延びる薄い板状の支持部１３が連結されている。支持部１３は、路面と平行に延びるように、車輪１２の回転軸に対してピッチ方向に回転可能に接続されている。

支持部１３には、車輪１２の回転軸に連結されている側とは反対方向の下面に補助輪１４が連結されている。これにより、車輪１２と補助輪１４の両方が路面に接するようになっている。支持部１３は、進行方向に対して車輪１２よりも後方に延びている。このため、相対的に内径の大きい車輪１２が進行方向に対して前方に配置されることになり、段差を乗り越えやすくなる。なお、支持部１３は、進行方向に対して車輪１２よりも前方に延び、補助輪１４が車輪１２よりも前方に配置される態様であってもよい。支持部１３が車輪１２よりも前方に延びる態様であれば、利用者Ｕの足元の空間を広くすることができる。

なお、車輪１２の回転軸と支持部１３との接続部分にモータを取り付け、このモータを駆動することで支持部１３をピッチ方向に能動的に回転させるようにしてもよい。

また、この例では、支持部１３および補助輪１４を２つずつ設け、それぞれ左右の車輪１２の回転軸に対して連結されているが、支持部１３および補助輪１４は、それぞれ１つあるいは３つ以上設ける態様であってもよい。ただし、図２に示すように左右の車輪１２の回転軸に対して連結することで、利用者Ｕの足元の空間を広くすることができる。

把持部１５には、電源スイッチ等のユーザインタフェース（Ｉ／Ｆ）２７が設けられている。利用者Ｕは、把持部１５を握ることで手押し車１０を進行方向に押すことができる。あるいは、利用者Ｕは、把持部１５を握らずに前腕等を把持部１５に上から押し付けるように載せて、把持部１５と前腕等との間で発生する摩擦により、把持部１５に前腕等を載せながら手押し車１０を進行方向に押すこともできる。

次に、手押し車１０のハードウェア構成および動作について説明する。図３に示すように、手押し車１０は、制御部２１、ＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３、駆動部２４、車輪用ロータリエンコーダ２５、本体部用ロータリエンコーダ２６、およびユーザＩ／Ｆ２７を備えている。車輪用ロータリエンコーダ２５は、本発明の車輪角度検出部に相当し、本体部用ロータリエンコーダ２６は、本体部角度検出部に相当する。

制御部２１は、手押し車１０を統括的に制御する機能部であり、ＲＯＭ２２に記憶されているプログラムを読み出し、当該プログラムをＲＡＭ２３に展開することで種々の動作を実現する。

駆動部２４は、車輪１２に取り付けられた回転軸を回転させるモータを駆動して車輪１２に動力を与える機能部である。駆動部２４は、制御部２１が出力する後述のトルク指令値に基づいて車輪１２のモータを駆動し、車輪１２をピッチ方向に回転させる。

車輪用ロータリエンコーダ２５は、車輪１２のピッチ方向の回転角度を検出し、検出結果を制御部２１に出力する。

本体部用ロータリエンコーダ２６は、本体部１１と支持部１３との成す角度である交差角度を検出し、検出結果を制御部２１に出力する。制御部２１は、本体部用ロータリエンコーダ２６から入力された交差角度から本体部１１のピッチ方向の回転角度を算出する。以下、ピッチ方向の回転角度は、ピッチ角度と称する。

支持部１３は、水平な路面と平行になるように車輪１２の回転軸に接続されている。したがって、制御部２１は、交差角度が９０度である場合にピッチ角度が０度、すなわち本体部１１の路面の垂線に対する傾斜角度が０度であるとし、交差角度が大きくなる場合に進行方向に対して前方に傾斜し、交差角度が小さくなる場合に進行方向に対して後方に傾斜しているとして、現時点の本体部１１のピッチ角度を算出する。例えば、本体部１１のピッチ角度は、進行方向に対して前方に傾斜する場合に正の値となり、進行方向に対して後方に傾斜する場合を負の値となるように、「交差角度−９０度」をピッチ角度として算出する。ただし、支持部１３は、必ずしも水平な路面と平行になっている必要はない。例えば、手押し車１０を水平な路面に配置した時に、路面と支持部１３との成す角度（ピッチ方向の角度）が予め分かっていれば、当該ピッチ方向の成す角度との差分（ピッチ方向の角度変化）を求めることで、本体部１１のピッチ角度を算出することができる。

なお、本体部１１のピッチ角度は、図４（Ａ）に示すように、ストッパ等により所定の範囲（例えば±３０度）に制限される。これにより、例えば電源が切れた場合であっても本体部１１が必要以上に傾斜することがない。また、利用者Ｕが把持部１５に体重をかけた場合であっても、転倒するおそれがなく、利用者に安心感を与えることができる。

なお、本体部１１のピッチ角度は、ロータリエンコーダだけでなく、ポテンショメータで検出してもよい。

次に、図５は、制御部２１の制御構成図である。制御部２１は、機能的に、目標角速度算出部３１、フィードバック（ＦＢ）制御部３２、トルク指令値換算部３３、および変換処理部３４を備えている。

目標角速度算出部３１は、本体部１１の目標ピッチ角度θｈｒ（例えばθｈｒ＝０）と、現在の本体部１１のピッチ角度θｈと、を入力する。なお、上述のように、本体部用ロータリエンコーダ２６は交差角度を検出しているため、目標角速度算出部３１は、入力された交差角度から９０度を差分した値「交差角度−９０度」をピッチ角度θｈとして入力する。

目標角速度算出部３１は、入力された目標ピッチ角度θｈｒと、現在の本体部１１のピッチ角度θｈと、に基づいて目標角速度ωｈｒを算出する。目標角速度ωｈｒは、制御の応答性を表す係数Ｋｐを用いて、以下の数式１により算出する。

ωｈｒ＝Ｋｐ（θｈｒ−θｈ）・・・数式１
算出された目標角速度ωｈｒは、ＦＢ制御部３２に入力される。ＦＢ制御部３２は、当該目標角速度ωｈｒと、現在の本体部１１の角速度ωｈと、を入力する。現在の本体部１１の角速度ωｈは、変換処理部３４により求められる。

変換処理部３４は、車輪用ロータリエンコーダ２５で検出される車輪１２のピッチ方向の回転角度に基づいて現在の本体部１１の角速度ωｈを算出する。角速度ωｈは、車輪の回転半径ｒと、本体部の回転半径ｌと、の比から、求めることができる。図４（Ｂ）に示すように、本体部１１の目標ピッチ角度θｈｒと、現在の本体部１１のピッチ角度θｈとの偏角（目標ピッチ角度θｈｒ＝０であれば、偏角＝θｈとなる。）は、車輪１２を（ｒ／ｌ）×θｔだけ回転させると、０となる。すなわち、本体部１１をθｈだけ後傾させるためには、車輪１２を（ｒ／ｌ）×θｔだけ前方に回転させることになり、以下のような関係式が成り立つ。

ｒθｔ≒ｌθｈ・・・数式２
この数式２の両辺を微分すると、数式２は、以下の数式３に変換される。

ωｈ≒（ｒ／ｌ）ωｔ・・・数式３
このようにして、変換処理部３４は、車輪用ロータリエンコーダ２５で検出される車輪１２のピッチ方向の回転角度θｔから、現在の本体部１１のピッチ方向の角速度ωｈを求めることができる。これにより、制御部２１は、ジャイロセンサ等の角速度を検出するセンサを用いずに本体部１１の角速度ωｈを検出することができる。

そして、ＦＢ制御部３２は、現在の本体部１１の角速度ωｈが目標角速度ωｈｒになるような角加速度αｈｒを求める。すなわち、ＦＢ制御部３２は、現在の本体部１１の角速度ωｈと目標角速度ωｈｒとの偏差が０となる角加速度αｈｒを算出する。

本実施形態では、ＦＢ制御部３２は、以下の数式４で表されるようなＰＩ制御により、角加速度αｈｒを算出する。

数式４におけるＫｖは、比例ゲインであり、Ｔｖは、積分時間である。なお、フィードバック制御は、ＰＩ制御に限るものではなく、例えば微分制御を加えたＰＩＤ制御であってもよいし、比例制御だけであってもよい。

ＦＢ制御部３２が算出した角加速度αｈｒは、トルク指令値換算部３３に出力される。トルク指令値換算部３３は、入力された角加速度αｈｒをトルク指令値ｔｒに換算する。トルク指令値ｔｒは、本体部１１の慣性モーメントＪ、モータから車輪１２に係る減速系の減速比１／ｋ、および減速系の効率ηにより、以下の数式５で求めることができる。

ｔｒ＝Ｊ・η・ｋ・αｈｒ・・・数式５
トルク指令値換算部３３は、算出したトルク指令値ｔｒを駆動部２４に入力する。駆動部２４は、入力されたトルク指令値ｔｒに基づくトルクをモータ（車輪１２に取り付けられた軸を回転させるモータ）に印加して、当該モータを駆動し、車輪１２を回転させる。

このようにして、手押し車１０は、倒立振子制御を行い、本体部１１のピッチ角度θｈが目標ピッチ角度θｈｒに保たれるように姿勢を制御する。例えば、利用者Ｕが手押し車１０を進行方向に押して本体部１１を進行方向に傾けると、手押し車１０は、ピッチ角度θｈを目標ピッチ角度θｈｒ（例えば０度）に保つために、車輪１２を前方に回転させる。これにより、手押し車１０は前進し、利用者Ｕの移動に追従して手押し車１０も移動することになる。

上述したように、本実施形態における手押し車１０は、ストッパ等により本体部１１のピッチ角度を所定の範囲内に制限しているため、ジャイロセンサ等の角速度を検出するセンサを用いてフィードバック制御を行うことができない（検出される角速度が０になる）場合がある。また、本体部１１の角速度は、本体部１１のピッチ角度を微分することでも求めることができるが、やはりピッチ角度の変化が制限された場合には、微分値が著しく小さくなり、算出される角速度が０になってフィードバック制御が破綻する場合がある。しかし、本実施形態の手押し車１０は、車輪用ロータリエンコーダ２５が検出した車輪１２のピッチ方向の回転角度に基づいて本体部１１のピッチ方向の角速度を算出することで、本体部１１のピッチ角度の変化が制限された場合でも、フィードバック制御による倒立振子制御を実現することができる。

また、本実施形態の手押し車１０では、目標角速度算出部３１が係数Ｋｐを用いて目標角速度ωｈｒを求め、トルク指令値換算部３３が角加速度をトルク指令値に換算する。これらの演算は、いずれも単なる乗算であり、処理負荷は小さい。一方で、処理負荷の大きいフィードバック制御は、ＦＢ制御部３２だけが行う。従来の制御手法では、例えば目標ピッチ角度と、現在のピッチ角度と、に基づいてフィードバック制御を行って目標角速度を算出し、さらに、ジャイロセンサで検出された角速度に基づいてフィードバック制御を行ってトルク指令値を算出する、という２段階のフィードバック制御を行っていたが、本実施形態の手押し車１０は、このような２段階のフィードバック制御を行う必要はないため、処理負荷を軽減することができる。

次に、図６は、制御部２１の変形例に係る制御部２１Ａの制御構成図である。制御部２１と共通する構成は、同一の符号を付し、説明を省略する。制御部２１Ａは、目標角速度算出部３１の後段およびＦＢ制御部３２の前段に、速度制限部３５を備えている。

速度制限部３５は、本体部１１の進行速度を所定の値以下に制限する手段である。速度制限部３５は、目標角速度算出部３１から入力された目標角速度ωｈｒ（ｒａｄ／ｓ）を、以下の数式６により本体部１１の進行速度ｖ（ｍ／ｓ）に変換する。

ｖ＝ｌ・ωｈｒ・・・数式６
速度制限部３５は、算出した進行速度ｖを所定の値ｖ’（例えばｖ’＝１．５ｍ／ｓ）以下に制限する。そして、速度制限部３５は、制限後の進行速度ｖ’（ｍ／ｓ）を数式５により目標角速度ω’ｈｒ（ｒａｄ／ｓ）に再変換する。この変換後の目標角速度ω’ｈｒがＦＢ制御部３２に入力される。したがって、目標角速度ω’ｈｒが制限され、算出されるトルク指令値αｔｒが制限されることになり、本体部１１の進行速度が制限されることになる。これにより、フィードバック制御を行う制御器がＦＢ制御部３２だけであっても、本体部１１の進行速度を制限することができる。

また、本実施形態では、本体部１１の回転角度を所定の範囲内に制限しているため、仮にジャイロセンサを用いた場合には、検出される本体部１１の角速度が０になり、目標角速度ω’ｈｒを制限したとしても算出されるトルク指令値αｈｒが大きくなる可能性がある。しかし、制御部２１Ａでは、車輪１２の角速度に基づいて本体部１１の角速度を求めるため、車輪１２が回転している間は、変換処理部３４が出力する角速度ωｈが０にはならず、本体部１１の進行速度が著しく大きくなることはない。

次に、図７は、手押し車１０の変形例に係る手押し車１０Ａのハードウェア構成を示すブロック線図である。手押し車１０と共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。手押し車１０Ａは、制御部２１に代えて制御部２１Ａを備え、さらにブレーキ操作受付部４５を備えている。

ブレーキ操作受付部４５は、例えば、把持部１５に隣接されたブレーキレバーである。ブレーキ操作受付部４５は、ブレーキ操作およびその操作量（ブレーキ操作量ｂ）を受け付ける。ブレーキ操作量ｂは、利用者Ｕがブレーキを操作しないときには０となり、利用者Ｕのブレーキ操作が最大のときは１となる。すなわち、ブレーキ操作受付部４５は、ブレーキ操作量ｂ（０≦ｂ≦１）を検出し、当該検出したブレーキ操作量ｂを制御部２１Ａに出力する。

制御部２１Ａの速度制限部３５は、ブレーキ操作受付部４５からブレーキ操作量ｂを入力し、以下の数式７に示すような関数で、進行速度ｖおよびブレーキ操作量ｂに応じた制限後の進行速度ｖ’を算出する。

ｖ’＝ｆ（ｂ，ｖ）・・・数式７
関数ｆ（ｂ，ｖ）は、例えば以下の数式８に示すように、ブレーキ操作受付部４５のブレーキ操作量に応じて線形的に進行速度を制限する関数である。

ｆ（ｂ，ｖ）＝（１．０−ｂ）・ｖ・・・数式８
これにより、ブレーキ操作受付部４５のブレーキ操作量が大きくなるほど、線形的に本体部１１の進行速度が小さくなる。

また、関数ｆ（ｂ，ｖ）は、例えば以下の数式９に示すように、ブレーキ操作受付部４５のブレーキ操作量が大きくなるほど減速加速度が大きくなるように進行速度を制限する関数とすることも可能である。

ｖ_０は、ブレーキ操作受付部４５がブレーキ操作を受け付けたときの進行速度である。ａは、ブレーキ操作量が最大のときの減速加速度であり、ｖ_０が正（前進時）のときにはｖ’が負の値とならない範囲で負の値となり、ｖ_０が負（後進時）のときにはｖ’が正の値とならない範囲で正の値となる。また、ｖ_０の値がゼロの場合にはゼロの値となる。したがって、この例では、ブレーキ操作量が大きくなるほどｆ（ｂ，ｖ）が加速度的に制限されることになる。

なお、ブレーキ操作受付部４５でブレーキ操作を受け付けた場合、ブレーキ操作量に応じてＦＢ制御部３２における積分項の積分時間Ｔｖを変化させることが好ましい。例えば、利用者Ｕが把持部１５に大きな荷重をかける等して、車輪１２を停止させ続けた場合には、変換処理部３４の出力値である角速度ωｈの値が０になるため、数式４で示した積分項が大きくなる。そのため、利用者Ｕが把持部１５への荷重を解除した直後にブレーキ操作を行ったとしても、即座に進行速度が低下しない可能性がある。そこで、ブレーキ操作受付部４５のブレーキ操作量が大きくなるほどＦＢ制御部３２における積分項の積分時間Ｔｖを小さくすれば、車輪１２を停止させ続けた直後であっても、ブレーキ操作に応じて素早く進行速度が低下することになる。

次に、図８は、手押し車１０Ａの変形例に係る手押し車１０Ｂのハードウェア構成を示すブロック線図である。手押し車１０Ａと共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。手押し車１０Ｂは、さらに接触感知センサ４６を備えている。

接触感知センサ４６は、把持部１５に設けられ、利用者Ｕの接触を感知することにより、利用者Ｕが把持部１５を握っているか否かを検知するためのセンサである。検知結果は、制御部２１Ａに入力される。

制御部２１Ａの速度制限部３５は、接触感知センサ４６が利用者Ｕの接触を検知していない場合、すなわち、利用者Ｕが把持部１５を握っていないと判断した場合、進行速度ｖ’を０に設定し、手押し車１０Ｂを停止させる。ただし、突然、進行速度ｖ’を０にして目標角速度ω’ｈｒを０にすると、本体部１１の挙動が不安定になる可能性がある。そこで、以下の数式１０に示すように、所定の減速加速度ａで進行速度ｖ’を小さくすることが好ましい。

ここでは、ｖ_０は、接触感知センサ４６が利用者Ｕの接触を検知しなくなったときの進行速度である。ａは、所定の減速加速度であり、ｖ_０が正（前進時）のときにはｖ’が負の値とならない範囲で負の値となり、ｖ_０が負（後進時）のときにはｖ’が正の値とならない範囲で正の値となる。また、ｖ_０の値がゼロの場合にはゼロの値となる。

これにより、利用者Ｕが把持部１５を離した場合には、手押し車１０が安全に停止することになる。

なお、数式１０を適用して手押し車１０を停止させる動作は、例えば自己故障検知機能により自装置の故障を検知したとき、利用者Ｕが無理な操作を行ったとき（例えば手押し車を極端に強く押したとき）、あるいは障害物検知センサ等により障害物を検知したとき、等をトリガとして行ってもよい。

なお、利用者Ｕが把持部１５が離して手押し車１０が停止した後に、再び利用者Ｕが把持部１５を握ったとき、本体部１１のピッチ角度と、目標ピッチ角度と、の偏差が大きい場合には、比例制御により大きなトルク指令値ｔｒが算出され、急激に本体部１１がピッチ方向に回転する可能性がある。そこで、速度制限部３５は、接触感知センサ４６が利用者Ｕの接触を検知した場合、進行速度ｖ’をさらに小さく（例えばｖ’＝０．５ｍ／ｓ）制限する。そして、本体部１１の現在のピッチ角度θｈが目標ピッチ角度θｈｒに近づいた場合（例えば±２度以内になった場合）に、進行速度ｖ’の制限を通常の値（例えばｖ’＝１．５ｍ／ｓ）に戻す動作を行う。また、この動作は、ブレーキを離した際にも適用できる。

以上のような動作をフローチャートにまとめると、図９に示すような動作になる。すなわち、制御部２１Ａの目標角速度算出部３１は、まず目標角速度ωｈｒを算出する（ｓ１１）。そして、速度制限部３５は、目標角速度ωｈｒ（ｒａｄ／ｓ）を、本体部１１の進行速度ｖ（ｍ／ｓ）に変換し、当該進行速度ｖが所定の値ｖ’（例えばｖ’＝１．５ｍ／ｓ）以内であるか否かを判断する（ｓ１２）。速度制限部３５は、進行速度ｖが所定の値を超えている場合には、当該所定の値ｖ’（例えばｖ’＝１．５ｍ／ｓ）以下に制限する（ｓ１３）。

次に、速度制限部３５は、接触感知センサ４６が利用者Ｕの接触を検知しているか否かを判断する（ｓ１４）。速度制限部３５は、利用者Ｕが把持部１５を握っていないと判断した場合、数式１０を用いて所定の減速加速度ａで進行速度ｖ’を小さくする（ｓ１５）。その後、速度制限部３５は、進行速度ｖ’を目標角速度ω’ｈｒに再変換し、ＦＢ制御部３２に出力する（ｓ２１）。

速度制限部３５は、利用者Ｕが把持部１５を握っていると判断した場合、さらに本体部１１の現在のピッチ角度θｈが目標ピッチ角度θｈｒに近い（例えば±２度以内である）か否かを判断する（ｓ１６）。速度制限部３５は、利用者Ｕの接触感知後、一度でもピッチ角度θｈが目標ピッチ角度θｈｒに近い（例えば±２度以内である）状態になったか否かを判断し、その状態になっていないと判断した場合には、進行速度ｖ’をさらに小さく（例えばｖ’＝０．５ｍ／ｓ）制限する（ｓ１７）。ただし、この進行速度ｖ’がさらに制限された状態で、ピッチ角度θｈが目標ピッチ角度θｈｒ付近になった場合には、進行速度の制限を解除する。

その後、速度制限部３５は、ブレーキ操作受付部４５からブレーキ操作量ｂを入力し、ブレーキ操作がなされているか否かを判断する（ｓ１８）。ブレーキ操作がなされていると判断した場合には、数式７に示すような関数で、ブレーキ操作量ｂに応じた進行速度ｖ’を算出する（ｓ１９）。また、ブレーキが離されたとき、本体部１１の現在のピッチ角度θｈが目標ピッチ角度θｈｒから遠い（例えば±２度よりも大きい）場合には、現在のピッチ角度θｈが目標ピッチ角度θｈｒ付近になるまで進行速度を制限する。

次に、速度制限部３５は、自己故障検知機能により自装置の故障を検知したとき、利用者Ｕが無理な操作を行ったとき（例えば手押し車を極端に強く押したとき）、あるいは障害物検知センサ等により障害物を検知したとき、等のような異常があったか否かを判断する（ｓ２０）。速度制限部３５は、異常があると判断した場合には、数式１０を用いて所定の減速加速度ａで進行速度ｖ’を小さくする（ｓ２１）。

最後に、速度制限部３５は、進行速度ｖ’を目標角速度ω’ｈｒに再変換し、ＦＢ制御部３２に出力する（ｓ２１）。

制御部２１Ａは、以上のような処理を繰り返し、進行速度の制限処理を行う。

１０，１０Ａ，１０Ｂ…手押し車
１１…本体部
１２…車輪
１３…支持部
１４…補助輪
１５…把持部
１６…ボックス
２１，２１Ａ…制御部
２２…ＲＯＭ
２３…ＲＡＭ
２４…駆動部
２５…車輪用ロータリエンコーダ
２６…本体部用ロータリエンコーダ
３１…目標角速度算出部
３２…ＦＢ制御部
３３…トルク指令値換算部
３４…変換処理部
３５…速度制限部
４５…ブレーキ操作受付部
４６…接触感知センサ

Claims (4)

1. 本体部と、
   前記本体部に回転可能に支持されている車輪と、
   前記車輪をピッチ方向に回転させる駆動部と、
   前記駆動部をフィードバック制御する制御部と、
   前記本体部のピッチ方向の回転角度を検出する本体部角度検出部と、
   前記車輪のピッチ方向の回転角度を検出する車輪角度検出部と、
   を備えた手押し車であって、
   前記制御部は、前記車輪角度検出部が検出した前記車輪のピッチ方向の回転角度に基づいて前記本体部のピッチ方向の角速度を算出し、
   算出した前記本体部のピッチ方向の角速度と、前記本体部角度検出部が検出した前記本体部のピッチ方向の回転角度と、に基づいて前記本体部のピッチ方向の回転角度が目標回転角度になるように前記駆動部を制御し、
   さらに、前記制御部は、前記車輪の回転半径と、前記本体部の回転半径と、の比を前記車輪角度検出部が検出した前記車輪のピッチ方向の回転角度に乗算して微分することにより、前記本体部のピッチ方向の角速度を算出することを特徴とする手押し車。
2. 前記制御部は、前記目標回転角度と、前記本体部角度検出部が検出した前記本体部のピッチ方向の回転角度と、に基づいて目標角速度を算出し、
   算出した前記本体部のピッチ方向の角速度が前記目標角速度になるように、前記駆動部が前記車輪に印加するトルクを算出する請求項１に記載の手押し車。
3. 前記目標角速度を前記本体部の進行速度に変換し、変換後の進行速度を所定の速度に制限し、制限後の進行速度を前記目標角速度に再変換する速度制限手段を備え、
   前記制御部は、前記速度制限手段が再変換した後の前記目標角速度に基づいて、前記駆動部が前記車輪に印加するトルクを算出する請求項２に記載の手押し車。
4. 前記車輪に対するブレーキ操作を受け付けるブレーキ操作受付部を備え、
   前記制御部は、前記ブレーキ操作受付部が受け付ける前記ブレーキ操作の操作量が大きくなるにつれて、前記速度制限手段が制限する進行速度を小さく設定する請求項３に記載の手押し車。

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