JP5958546B2

JP5958546B2 - 手押し車

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Publication number: JP5958546B2
Application number: JP2014536774A
Authority: JP
Inventors: 賢一白土; 滋辻; 昌幸久保
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-09-18
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2016-08-02
Anticipated expiration: 2033-09-11
Also published as: WO2014045955A1; JPWO2014045955A1; WO2014045955A8

Description

本発明は、歩行を補助する車輪を備えた手押し車に関し、特に車輪を駆動、制御する電動手押し車に関する。

従来、老人、身障者等の歩行を補助する装置として、多くの歩行補助車が開発されている。従来の歩行補助車は、歩行中の転倒を防止するよう、４輪又は８輪で構成されることが多く、キャリーバッグ等を備えて歩行補助車の重心を下げることにより、歩行中の安定感を高めている。

また、老人、身障者等の歩行を補助するべく、電動モータ等で車輪を回転させる歩行補助車も開発されている。被歩行補助者の安全を確保するため、歩行補助車の本体部の傾斜角度を検出して、本体部を安定した傾斜角度に維持することで被歩行補助者の姿勢を維持するようオブザーバ制御している。

歩行補助車の本体部の傾斜角度は、加速度センサによる傾斜角度情報と、ジャイロセンサによる角速度情報とに基づいてオブザーバを構成して推定している。例えば特許文献１では、２軸以上の加速度センサの検出値に基づいて幾何学的に算出した角度を基調として、外力オブザーバを介して高い精度で傾斜角度を推定する移動体が開示されている。

特許第４２８１７７７号公報

特許文献１に開示してある移動体を含めて、従来の歩行補助車は、倒立振子制御を前提としている。つまり、接地面が水平であることを前提としているが、上り坂、下り坂といった勾配を有する接地面では、釣合い方向が水平な接地面とは相違する。そのため、勾配を有する接地面では、被歩行補助者が操作に違和感を覚えるという問題点があった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、勾配のある接地面に差し掛かった場合であっても、安定感を損なうことなく歩行することができるよう、本体部の姿勢を制御することが可能な手押し車を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る手押し車は、一対の車輪と、該一対の車輪を回転させる一又は複数の駆動部と、前記一対の車輪を回転することが可能に支持する本体部と、前記一対の車輪が支持されている側とは反対側の、前記本体部の一端に設けられている把持部と、一端にてピッチ方向に回転することが可能に前記本体部と連結してあり、他端にて一又は一対の補助輪を回転することが可能に支持する支持部と、前記一又は複数の駆動部の動作を制御する制御部とを備える手押し車において、前記本体部と前記支持部とのなす交差角度を検出する交差角度検出手段と、該交差角度検出手段で検出された交差角度に基づいて、前記本体部が接地面に直交する方向に対して傾斜する傾斜角度を推算する傾斜角度推算手段と、接地面の勾配角度を算出する勾配角度算出手段とを備え、推算した傾斜角度と算出した勾配角度とに基づいて、前記本体部のピッチ方向の姿勢を制御することを特徴とする。

上記構成では、本体部と支持部とのなす交差角度を検出して、検出された交差角度に基づいて、本体部が接地面に直交する方向に対して傾斜する傾斜角度を推算する。接地面の勾配角度を算出して、推算した傾斜角度と算出した勾配角度とに基づいて、本体部のピッチ方向の姿勢を制御することにより、接地面が勾配を有する場合であっても、勾配角度に応じて本体部の釣合い方向を補正することが可能となる。

また、本発明に係る手押し車は、前記勾配角度算出手段が、一定時間ごとの勾配角度を算出することが好ましい。

上記構成では、一定時間ごとの勾配角度を算出することで、接地面の勾配の変化を一定時間ごとに把握することができ、都度本体部の釣合い方向を補正することが可能となる。

また、本発明に係る手押し車は、前記勾配角度算出手段が、一定時間内に算出された勾配角度の平均値を勾配角度として算出することが好ましい。

上記構成では、接地面の勾配の変化を平均値で把握することができるので、接地面の細かい凹凸の存在等に過敏に反応することなく、本体部の釣合い方向を補正することが可能となる。

上記構成によれば、本体部と支持部とのなす交差角度を検出して、検出された交差角度に基づいて、本体部が接地面に直交する方向に対して傾斜する傾斜角度を推算する。接地面の勾配角度を算出して、推算した傾斜角度と算出した勾配角度とに基づいて、本体部のピッチ方向の姿勢を制御することにより、接地面が勾配を有する場合であっても、勾配角度に応じて本体部の釣合い方向を補正することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る手押し車の構成を示す斜視図である。ピッチ方向、ロール方向及びヨー方向を説明する模式図である。本発明の実施の形態に係る手押し車のピッチ方向の転倒を防止する制御の一例を示す制御ブロック図である。本発明の実施の形態に係る手押し車のモデルを側面から見た模式図である。交差角度とピッチ傾斜角度との関係を示すグラフである。交差角度が２０度から５０度までの間で変動する場合の交差角度とピッチ傾斜角度との関係を一次近似したグラフである。接地面が勾配を有する場合の、手押し車の接地状態を示す模式図である。本発明の実施の形態に係る手押し車の制御基板のコントローラのピッチ方向の転倒防止処理手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態に係る手押し車について、図面に基づいて具体的に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る手押し車の構成を示す斜視図である。本実施の形態に係る手押し車１は、一対の車輪２が、回転することが可能に本体部３に支持されており、一対の車輪２が支持されている側とは反対側の、本体部３の一端に設けられている把持部４を被歩行補助者である老人、身障者等が把持して歩行する。なお、把持部４は必ずしも一端に設けられている必要はなく、本体部３の途中に設けられていても良い。

ここで、ピッチ方向を明確にしておく。図２は、ピッチ方向、ロール方向及びヨー方向を説明する模式図である。図２に示すように、手押し車１がｘｙ面上をｘ軸の（＋）方向へ前進又はｘ軸の（−）方向へ後退するように移動する場合、ｙ軸周りの回転方向がピッチ方向である。ｙ軸の（＋）方向を向いて反時計回りに車輪２が回転した場合には本体部３が前方へ傾斜し、ｙ軸の（＋）方向を向いて時計回りに車輪２が回転した場合には本体部３が後方へ傾斜する。また、ｘ軸周りの回転方向がロール方向であり、本体部３が左右方向へ揺動する場合の回転方向である。さらに、ｚ軸周りの回転方向がヨー方向であり、一対の車輪２の向きをｘ軸方向から傾ける場合の回転方向である。

図１に戻って、本体部３には、一対の車輪２を回転させるピッチ用モータ（駆動部）６、及びピッチ用モータ６の回転位置（角度）又は回転速度を検出するピッチ用エンコーダ６１を備える。本体部３と一対の車輪２とは、一対の車輪２を回転自在に支持するフレーム３１で連結され、ピッチ用モータ６の回転は、本体部３に備えたベルト（図示せず）を介して一対の車輪２へ伝わる。なお、フレーム３１は、本体部３の一部分である。

本体部３の鉛直方向からの傾斜角度（以下、傾斜角度）は、傾斜角センサ５で検出する。傾斜角センサとしては、例えば加速度センサを用いる。本実施の形態では、傾斜角センサ５で検出した、本体部３の鉛直方向からの傾斜角度θ４と、後述する支持部７と本体部３とのなす角度（以下、交差角度）θ１から推算したピッチ傾斜角度θ２との差分から、接地面の勾配角度θ３を算出する（θ３＝θ４−θ２）。接地面の勾配角度θ３に基づいて、鉛直方向に対するピッチ傾斜角度である絶対傾斜角度を修正することにより、接地面の勾配を考慮して本体部３の釣合い方向を補正することができる。

本体部３には、ピッチ用モータ６の動作（回転）を制御する制御基板（制御部）３２及び電池３３を備えている。制御基板３２には、ドライバ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、カウンタ、ピッチ用モータ６の動作を制御するコントローラ等が搭載されている。コントローラは、具体的にはマイクロプロセッサ、ＣＰＵ、ＬＳＩ等である。手押し車１は、一対の車輪２の回転に伴う反動トルクを利用してピッチ方向の釣合いをとるように制御されている。

また、本実施の形態に係る手押し車１は、被歩行補助者の歩行中の安定感を高めるために、補助輪８を備えている。補助輪８は、ピッチ方向に回転することが可能に一端を本体部３に連結してある支持部７の他端において、回転することが可能に支持されている。図１に示すように、一の補助輪８を備えていても良いし、ロール方向の安定度を高めるために一対の補助輪８を備えていても良い。なお、支持部７は、必ずしも一端が本体部３に連結している必要はなく、支持部７の中間部分が本体部３に連結していても良い。また、補助輪８は、必ずしも支持部７の他端で支持されている必要はなく、支持部７の他端が地面に接しない範囲であれば、支持部７の中間部分で支持されていても良い。

支持部７の回転中心である支点１０の位置は、本体部３内であれば特に限定されるものではない。本体部３の転倒を防止することができれば足りるからである。

なお、本体部３と支持部７との連結部分を回転させる、又は補助輪８を回転させる電動モータ（図示せず）を、本体部３と支持部７との連結部分に備えている。本実施の形態では、制御基板３２が、電動モータの動作（回転）を制御する。支持部７と本体部３とのなす角度（以下、交差角度）θ１は、電動モータに内蔵された支持部角度エンコーダ９１の出力（パルス信号）から算出することにより検出される。

図３は、本発明の実施の形態に係る手押し車１のピッチ方向の転倒を防止する制御の一例を示す制御ブロック図である。図３に示すように、目標ピッチ角設定部４４では、制御目標となる目標ピッチ角θ_rpの設定を受け付ける。

一方、角度検出部４５では、支持部角度エンコーダ９１のピッチ方向の角度出力をカウンタにて取得し、取得したピッチ方向の角度出力に基づいて、本体部３と支持部７とのなす角度である交差角度θ１を算出する。

ピッチ傾斜角度推算部４７では、算出された交差角度θ１に基づいて、本体部３が接地面に直交する方向に対して傾斜する傾斜角度（ピッチ傾斜角度）θ２を推算する。接地面勾配角度算出部４６では、傾斜角センサ５で検出された本体部３の鉛直方向からの傾斜角度θ４を取得して、ピッチ傾斜角度推算部４７で推算されたピッチ傾斜角度θ２との差分を算出して、接地面の勾配角度θ３を算出する（θ３＝θ４−θ２）。すなわち、手押し車１が平地にある場合、θ４の値はθ２となり、θ３＝０となる。

絶対傾斜角度推算部４３では、推算されたピッチ傾斜角度θ２、及び算出された接地面の勾配角度θ３に基づいて、鉛直方向に対するピッチ傾斜角度である絶対傾斜角度を推算する。これにより、接地面の勾配を考慮して本体部３の釣合い方向を補正することができる。

目標ピッチ角速度計算部４８では、設定を受け付けた目標ピッチ角θ_rpから推算された絶対傾斜角度を減じたピッチ角度偏差に比例ゲインを乗算して、目標ピッチ角速度ω_2pを算出する。ピッチ用トルク指令生成部４９では、算出された目標ピッチ角速度ω_2pに対して、例えばＰＩＤ制御によりピッチ用トルク指令τ_0pを生成する。ピッチ用モータトルク指令電圧計算部５０では、ピッチ用トルク指令τ_0pに対して、変換係数を乗算して、指令電圧を算出する。最後に、ピッチ用Ｄ／Ａコンバータ部５１では、ドライバにＤ／Ａ変換した指令電圧を出力し、ピッチ用モータ６の動作を制御する。

ここで、ピッチ傾斜角度θ２を推算する方法について、以下に説明する。図４は、本発明の実施の形態に係る手押し車１のモデルを側面から見た模式図である。図４では、説明を簡単にするために、一対の車輪２及び補助輪８の接地位置と一対の車輪２及び補助輪８の回転中心とが一致するよう模式的に表現してある。

本実施の形態では、本体部３と支持部７とのなす交差角度θ１に基づいて、本体部３が接地面に直交する方向に対して傾斜するピッチ傾斜角度θ２を推算する。図４では、接地面が水平であるので、本体部３が鉛直方向に対してなす角度がピッチ傾斜角度θ２となっている。

図４に示すように、本体部３は、鉛直方向に対してピッチ傾斜角度θ２をなすように傾斜している。そして、支持部７は、本体部３と交差角度θ１をなすように傾斜することにより、本体部３を支持する。図４では、左向きの矢印方向が手押し車１の前進方向であり、本体部３が後方へ傾斜した状態を示している。

交差角度θ１は、本体部３が鉛直方向に対してなす角度（ピッチ傾斜角度）θ２に依存して変動する。これは、支持部７が本体部３を支持するよう傾斜するからである。しかし、本体部３の接地位置（一対の車輪２の接地位置）から本体部３と支持部７との交点までの距離Ｌ１、及び支持部７の接地位置（補助輪８の接地位置）から本体部３と支持部７との交点までの距離Ｌ２は一定であるので、一対の車輪２及び補助輪８が接地している限り、幾何学的にピッチ傾斜角度θ２を推算することができる。

すなわち、図４より（式１）の関係を導き出すことができる。

（式１）をピッチ傾斜角度θ２について解くと、（式２）のようにピッチ傾斜角度θ２を求めることができる。

しかし、（式２）に基づくピッチ傾斜角度θ２の算出方法は、三角関数を用いていることから演算処理負荷が比較的大きく、算出するまでに時間を要するので、リアルタイム性が求められる姿勢制御には向かない。そこで、本実施の形態では、交差角度θ１とピッチ傾斜角度θ２との関係を一次近似することにより、演算処理負荷を軽減して算出するまでに要する時間を短縮している。

図５は、交差角度θ１とピッチ傾斜角度θ２との関係を示すグラフである。図５では、距離Ｌ２＝１．２×距離Ｌ１としている。図５に示すように、交差角度θ１が小さい部分ではピッチ傾斜角度θ２が大きく変動しているが、実際には、交差角度θ１が小さすぎると歩行中の安定感を欠く。

そこで、本実施の形態では、交差角度θ１が、２０度から５０度までの間で変動すると仮定することにより、交差角度θ１とピッチ傾斜角度θ２との関係を一次近似しやすくしている。図６は、交差角度θ１が２０度から５０度までの間で変動する場合の交差角度θ１とピッチ傾斜角度θ２との関係を一次近似したグラフである。

図６に示すように、交差角度θ１とピッチ傾斜角度θ２との関係を一次近似することにより、例えばθ２＝１．００９×θ１−３４．８７という一次関数を得ることができ、精度を低下させることなくピッチ傾斜角度θ２を推算することができる。

図７は、接地面が勾配を有する場合の、手押し車１の接地状態を示す模式図である。図７に示すように、手押し車１の接地面は、勾配角度θ３を有する上り坂である。この場合、上述した方法でピッチ傾斜角度θ２を推算して本体部３の姿勢を制御しても、鉛直方向が本体部３の釣合い方向とはならず、本体部３が後方へ傾く方向に力がかかる。そこで、接地面が勾配を有する場合であっても被歩行補助者にとって使用感を損なわないためには、接地面の勾配角度θ３分だけ絶対傾斜角度を修正して、本体部３の釣合い方向を補正することが必要となる。

すなわち、手押し車１が平地から上り勾配の斜面に差しかかった場合、被歩行補助者が把持部４を把持し続けれていれば、倒立振子の釣り合い方向とはならないので、被歩行補助者にとって進行方向に対して手前方向に力が働いているように感じるものの、交差角度θ１は変化しない。したがって、ピッチ傾斜角度θ２の算出結果も変化しない。しかし、傾斜角センサ５の検出値である本体部３の鉛直方向からの傾斜角度θ４は変化するので、演算結果としての接地面の勾配角度θ３は０ではなくなり、上り勾配であることを検出することができる。

そのため、本実施の形態では、傾斜角センサ５で検出された、本体部３の鉛直方向からの傾斜角度θ４、及び交差角度θ１から推算したピッチ傾斜角度θ２の差分を算出することにより、接地面の勾配角度θ３を算出している。斯かる演算を繰り返し、接地面の勾配角度θ３分だけ絶対傾斜角度を修正し続けることにより、接地面の勾配角度に応じて本体部３の釣合い方向を補正することができ、安定した倒立二輪走行を実現することが可能となる。

一般に、安価な傾斜角センサは、その原理上、水平方向及び鉛直方向の加速度成分を誤って傾斜角として検出することが多い。高精度な傾斜角センサは高価であるため、安価な傾斜角センサを用いる場合は、その瞬時値ではなく、ある一定の時間間隔で取得した値の平均値を用いる、高周波成分をローパスフィルタで除去した後の値を用いる等の工夫をすることが好ましい。これにより、一定時間内に検出された勾配角度の平均値を接地面の勾配角度θ３として用いることができ、接地面の細かい凹凸の存在等に過敏に反応することなく、本体部３の釣合い方向を補正することが可能となる。

接地面の勾配変化をより高い精度で検出するには、傾斜角センサ５の出力値をローパスフィルタでフィルタリングした後の値を微分演算し、微分値が所定の閾値以下である場合に勾配変化が落ち着いたと判断して本体部３の釣合い方向を補正すれば良い。これにより、接地面に細かい凹凸が存在する場合であっても、全体として上り坂であるか下り坂であるかを判断して本体部３の姿勢を制御することができ、被歩行補助者が安全に歩行することができるよう補助することが可能となる。

次に、図３の制御ブロック図で示した手押し車１の動作制御の一例について、フロ−チャートに基づいて説明する。図８は、本発明の実施の形態に係る手押し車１の制御基板３２のコントローラのピッチ方向の転倒防止処理手順を示すフローチャートである。

図８に示すように制御基板３２のコントローラは、制御目標となる目標ピッチ角θ_rpの設定を受け付ける（ステップＳ８０１）。コントローラは、支持部角度エンコーダ９１のピッチ方向の角度出力をカウンタにて取得し、取得したピッチ方向の角度出力に基づいて、本体部３と支持部７とのなす角度である交差角度θ１を算出する（ステップＳ８０２）。

コントローラは、算出された交差角度θ１に基づいて、本体部３のピッチ方向の傾斜角度（ピッチ傾斜角度）θ２を推算する（ステップＳ８０３）。コントローラは、傾斜角センサ５で検出された本体部３の鉛直方向からの傾斜角度θ４を取得して（ステップＳ８０４）、推算されたピッチ傾斜角度θ２との差分を算出して、接地面の勾配角度θ３を算出する（ステップＳ８０５）。

コントローラは、推算されたピッチ傾斜角度θ２、及び算出された接地面の勾配角度θ３に基づいて、鉛直方向に対するピッチ傾斜角度である絶対傾斜角度を推算して（ステップＳ８０６）、設定を受け付けた目標ピッチ角θ_rpから推算された絶対傾斜角度を減じたピッチ角度偏差を算出する（ステップＳ８０７）。これにより、接地面の勾配を考慮して本体部３の釣合い方向を補正することができる。

コントローラは、算出したピッチ角度偏差に比例ゲインを乗算して、目標ピッチ角速度ω_2pを算出する（ステップＳ８０８）。コントローラは、ピッチ用トルク指令生成部４９において目標ピッチ角速度ω_2pに対して、例えばＰＩＤ制御によりピッチ用トルク指令τ_0pを生成するか否かを判断する（ステップＳ８０９）、何らかの理由によってピッチ用モータ６の動作制御を停止する必要がある場合は、ピッチ用トルク指令τ_0pを生成しないと判断する。

コントローラが、ピッチ用トルク指令τ_0pを生成すると判断した場合（ステップＳ８０９：ＹＥＳ）、コントローラは、生成したピッチ用トルク指令τ_0pに対して変換係数を乗算して指令電圧を算出する（ステップＳ８１０）。コントローラは、算出した指令電圧をＤ／Ａ変換し、ピッチ用モータ６の動作を制御するドライバに出力する（ステップＳ８１１）。コントローラは、処理をステップＳ８０２に戻し、上述した処理を繰り返す。

一方、コントローラが、ピッチ用トルク指令τ_0pを生成しないと判断した場合（ステップＳ８０９：ＮＯ）、コントローラはピッチ用モータ６の動作制御を停止して、処理を終了する。これにより、ピッチ用Ｄ／Ａコンバータ部５１への指令が停止されるため、ピッチ用モータ６の動作制御は停止する。コントローラが、ピッチ用トルク指令τ_0pを生成しないと判断する場合としては、例えば故意であるか、事故であるかを問わず、ピッチ用モータ６の動作制御中に電源が切れた場合、あるいはユーザがピッチ用モータ６の動作制御を停止するためにスイッチ等を介して停止入力を与えた場合等が考えられる。

以上のように本実施の形態によれば、算出した勾配角度θ３に基づいて、推算した絶対傾斜角度を修正して本体部３の釣合い方向を補正することにより、接地面が勾配を有する場合であっても、勾配角度に応じて本体部３の姿勢を制御することが可能となる。

なお、上述した実施の形態は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することができることは言うまでもない。例えば、ピッチ用モータ６を一対の車輪２に１個設けることに限定されるものではなく、車輪ごとに１個ずつピッチ用モータを設けても良い。また、電動モータも、本体部３と支持部７との連結部分に備えるのではなく、一又は複数の補助輪８ごとに備えても良い。

１手押し車
２車輪
３本体部
４把持部
５傾斜角センサ
６ピッチ用モータ（駆動部）
７支持部
８補助輪
１０支点
３１フレーム
３２制御基板（制御部）
３３電池
４３絶対傾斜角度推算部
４４目標ピッチ角設定部
４５角度検出部
４６接地面勾配角度算出部
４７ピッチ傾斜角度推算部
４８目標ピッチ角速度計算部
４９ピッチ用トルク指令生成部
５０ピッチ用モータトルク指令電圧計算部
５１ピッチ用Ｄ／Ａコンバータ部
６１ピッチ用エンコーダ
９１支持部角度エンコーダ

Claims

一対の車輪と、
該一対の車輪を回転させる一又は複数の駆動部と、
前記一対の車輪を回転することが可能に支持する本体部と、
前記一対の車輪が支持されている側とは反対側の、前記本体部の一端に設けられている把持部と、
一端にてピッチ方向に回転することが可能に前記本体部と連結してあり、他端にて一又は一対の補助輪を回転することが可能に支持する支持部と、
前記一又は複数の駆動部の動作を制御する制御部と
を備える手押し車において、
前記本体部と前記支持部とのなす交差角度を検出する交差角度検出手段と、
該交差角度検出手段で検出された交差角度に基づいて、前記本体部が接地面に直交する方向に対して傾斜する傾斜角度を推算する傾斜角度推算手段と、
接地面の勾配角度を算出する勾配角度算出手段と
を備え、推算した傾斜角度と算出した勾配角度とに基づいて、前記本体部のピッチ方向の姿勢を制御することを特徴とする手押し車。
前記勾配角度算出手段は、一定時間ごとの勾配角度を算出することを特徴とする請求項１に記載の手押し車。
前記勾配角度算出手段は、一定時間内に算出された勾配角度の平均値を勾配角度として算出することを特徴とする請求項１に記載の手押し車。