JP6123907B2 - 手押し車 - Google Patents

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、制御して倒立振子制御を行う移動体が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特許文献１の移動体は、上下方向に伸縮するサスペンション機構と、サスペンション機構に連結された補助輪と、ブレーキレバーの操作に基づいて作動するブレーキ機構と、ブレーキ機構が差動したときにサスペンション機構のストロークを制限するロック機構と、を備えている。

これにより、特許文献１の装置は、使用者がブレーキレバーを操作すると、駆動輪が制動されるとともに、サスペンション機構がロックされた状態となるため、簡易な操作で、移動体を咄嗟に安定した状態で減速、停止させることができる。

特開２０１１−１６８２３６号公報

特許文献１の移動体は、使用者自身が乗る物であり、必然的に重心位置は低くなる。しかし、手押し車の場合、使用者が触れる部分は、本体部の上部になるため、使用者の荷重は上部にかかり、重心位置が高くなる。したがって、本体部が前方に傾いた状態でブレーキを作動させると、重心位置が補助輪よりも前方になって転倒し易くなる場合がある。

そこで、この発明は、倒立振子制御を行う手押し車において、ブレーキを作動させた場合に転倒を防止することを目的とする。

本発明の手押し車は、車輪と、前記車輪に動力を与える駆動部と、前記車輪に対してピッチ方向に回転可能に連結され、把持部を備える本体部と、前記本体部の進行方向前方に設けられ、前記本体部または前記車輪に対してピッチ方向に回転可能に連結された支持部と、前記支持部に設けられた補助輪と、前記車輪の回転を制御するために前記駆動部に制御信号を与える制御部と、前記把持部のピッチ方向の傾斜角の角度変化を検出する角度変化検出手段と、前記車輪の回転にブレーキをかける指示を受け付けるブレーキ指示部と、を備えている。

そして、制御部は、前記本体部の角度変化が０となり、かつ鉛直方向に対する前記本体部の傾斜角度が第１の角度になるよう前記一対の車輪を制御する第１の制御モードと、ブレーキ指示部が前記指示を受け付けた場合、前記本体部の角度変化が０となり、かつ鉛直方向に対する前記本体部の傾斜角度が、前記第１の角度より前記本体部の進行方向後方である第２の角度になるよう前記一対の車輪を制御する第２の制御モードと、前記第２の制御モードの後、前記本体部と前記支持部の交差角を所定の角度に固定し、前記一対の車輪の回転を停止させる第３の制御モードと、を有する。

このように、本発明の手押し車は、使用者がブレーキレバー等を握ってブレーキ操作を行うと、まず本体部を後方（使用者側）に傾ける第２の制御モードに移行する。そして、第２の制御モードに移行した後に、本体部と支持部の交差角を所定の角度に固定し、車輪の回転を停止させる第３の制御モードに移行する。第２の制御モードでは、本体部が後方に傾くため、使用者を後方に押し返す力が発生してブレーキ効果が働く。また、本体部が後方に傾くことで使用者の荷重が本体部の上部にかかる場合であっても、重心位置が補助輪よりも前方側になることがない。これにより、使用者がブレーキレバー等を握ってブレーキ操作を行うと、安全に停止することができる。

なお、第３の制御モードでは、前記本体部の傾斜角度を、前記第２の角度から前記第１の角度に近づけてから、前記本体部と前記支持部の交差角を固定する制御を行うようにしてもよい。これにより、停止後に後方へ転倒することも防止することができる。

また、ブレーキ指示部は、ブレーキ量を検出し、制御部は、前記ブレーキ指示部が検出したブレーキ量が所定の閾値を超えた場合に第２のモードから第３のモードに移行する態様としてもよい。

この場合、使用者がブレーキレバーを軽く握った場合には第２の制御モードに移行してブレーキ効果を生じさせるだけとなり、強く握った場合に第３の制御モードに移行して車輪が停止する状態となる。

この発明によれば、倒立振子制御を行う手押し車において、ブレーキを作動させた場合に転倒を防止することができる。

手押し車の外観斜視図である。 手押し車の側面図である。 手押し車の構成を示すブロック図である。 制御部の構成を示す制御ブロック図である。 手押し車の下部の拡大図である。 支持部ロック機構の拡大図である。 従来のブレーキ操作時の手押し車の挙動と、本実施形態に係る手押し車の挙動との差を示した概略図である。

図１は、本発明の実施形態に係る手押し車１の外観斜視図であり、図２は、左側面図である。図３は、手押し車１のハードウェア構成を示すブロック図である。

手押し車１は、鉛直方向（図中Ｚ，−Ｚ方向）に長く、奥行き方向（図中Ｙ，−Ｙ方向）に短い形状の本体部１０を備えている。本体部１０には、制御用の基板や電池等が内蔵されている。

本体部１０の鉛直下方向（−Ｚ方向）の下部のうち、左右（図中Ｘ，−Ｘ方向）の端部には、一対の車輪１１が取り付けられている。一対の車輪１１は、同じ軸に取り付けられ、同期して回転する。ただし、一対の車輪１１は、それぞれ個別に駆動させ、回転させることも可能である。また、この実施形態においては、車輪１１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。

本体部１０（または車輪１１の回転軸）には、進行方向に対して車輪１１よりも前方（順方向）に支持部５３１と、補助輪５３２が設置されている。支持部５３１の一方は、本体部１０（または車輪１１の回転軸）にピッチ方向（図２における車輪１１の軸を中心とする回転方向）回転可能に連結される。補助輪５３０は、支持部５３１の他方の下側に接続される。

支持部５３１は、本体部１０または車輪１１の回転軸から前方に延びる薄い板状の部材である。支持部５３１がピッチ方向に回転可能に連結されているため、補助輪５３０および車輪１１は、走行時にはともに地面に接するようになっている。

なお、図２においては、補助輪５３０が地面に接した状態を示しているが、手押し車１は、倒立振子制御を行うことにより、車輪１１だけが接地された状態であっても自立することが可能である。また、本体部１０と支持部５３１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本体部１０と支持部５３１との成す角度である交差角を制御するようにしてもよい。

本体部１０の鉛直方向上部には、棒状の把持部１５が取り付けられている。把持部１５には、ブレーキ指示部２８が設けられている。使用者は、把持部１５を握り、手押し車１を使用する。ブレーキ指示部２８は、車輪の回転にブレーキをかける指示を受け付ける。この例では、ブレーキ指示部２８は、ブレーキレバーとなっていて、使用者が握ることでブレーキをかける指示を行うことができる。ブレーキ指示部２８は、ブレーキをかける指示を受け付けた場合、制御部２１に、車輪を停止させるための信号を出力する。

なお、本体部１０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。

次に、手押し車１の構成および基本動作について説明する。図３に示すように、手押し車１は、傾斜角センサ２０、制御部２１、ＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３、ジャイロセンサ２４、駆動部２５、車輪用ロータリエンコーダ２６、支持部用ロータリエンコーダ２７、ブレーキ指示部２８、および支持部ロック機構２９を備えている。

制御部２１は、手押し車１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。

傾斜角センサ２０は、支持部５３１のピッチ方向（図２における車輪１１の軸を中心とする回転方向）の鉛直方向に対する傾斜角を検出し、制御部２１に出力する。ジャイロセンサ２４は、本体部１０のピッチ方向の角速度を検出し、制御部２１に出力する。車輪用ロータリエンコーダ２６は、車輪１１の回転角度に応じた出力値を制御部２１に出力する。支持部用ロータリエンコーダ２７は、本体部１０と支持部５３１との成す角度である交差角を検出し、検出結果を制御部２１に出力する。

なお、手押し車１は、他にも本体部１０の各方向の加速度を検出する加速度センサや、補助輪である補助輪５３０の回転角度を検出するロータリエンコーダ等をさらに備えていてもよい。

基本動作（以下、第１の制御モードと言う。）として、制御部２１は、本体部１０のピッチ方向の角度変化がゼロとなるように駆動部２５を制御することで倒立振子制御を行う。

図４（Ａ）は、第１の制御モード時における制御部２１の機能ブロック図である。第１の制御モードでは、制御部２１は、目標角度決定部２１１、目標角速度計算部２１２、トルク指令生成部２１３、斜度推定部２１４、およびブレーキ判断部２１５を備えている。

ブレーキ判断部２１５は、ブレーキ指示部２８に接続され、当該ブレーキ指示部２８から車輪を停止させるための信号を入力する。ブレーキ判断部２１５は、ブレーキがオンされた情報（ブレーキがかけられた旨を示す情報）またはブレーキがオフされた情報（ブレーキがかけられていない旨を示す情報）を目標角度決定部２１１に出力する。なお、ブレーキ指示部２８は、ブレーキ量（使用者がブレーキレバーを握る量）を検出し、当該検出したブレーキ量をブレーキ判断部２１５に出力してもよい。この場合、ブレーキ判断部２１５は、ブレーキ量に相当する情報を目標角度決定部２１１に出力する。

目標角度決定部２１１は、ブレーキがオフされた情報が入力されている場合、通常時の目標傾斜角度として、第１の角度（例えば、鉛直方向に対して０度より少し後方に傾いた傾斜角度）を出力する。目標角速度計算部２１２は、当該第１の角度と、現時点の本体部１０の傾斜角度と、の差分値を入力し、この差分値が０となるような本体部１０の傾斜角速度を算出する。

現時点の本体部１０の傾斜角度は、ジャイロセンサ２４の出力値を積分する、あるいは本体部１０に傾斜角センサ（不図示）を取り付けることでも得られる。この場合、ジャイロセンサ２４または傾斜角センサ（不図示）が本体部１０の傾斜角度を検出する角度変化検出手段として機能する。また、支持部用ロータリエンコーダ２７から入力された本体部１０と支持部５３１の交差角から算出することも可能である。支持部５３１は、水平な地面と平行になるように本体部１０または車輪１１の軸に接続されている。したがって、交差角が９０度である場合に本体部１０の傾斜角度が０度であるとし、交差角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１０の傾斜角度を推定する。

トルク指令生成部２１３は、目標角速度計算部２１２で算出された傾斜角速度と、ジャイロセンサ２４から入力された現時点の本体部１０の傾斜角速度と、の差分値を入力し、この差分値が０となるような印加トルクを算出する。

また、斜度推定部２１４は、傾斜角センサ２０の値に基づいて推定した地面の傾斜角に応じて、当該地面の傾斜角によって生じる重力トルクを補償するためのオフセットトルクを算出し、上記印加トルクに加算する。これにより、例えば手押し車１が上り坂を前進している場合、使用者を牽引する力を得ることができ、より快適に坂道を上ることができる。また、下り坂を前進している場合、使用者を後方に押し返す力を得ることができる。

このようにして算出された印加トルクに基づく制御信号が、駆動部２５に入力される。駆動部２５は、車輪１１に取り付けられた軸を回転させるモータを駆動して車輪１１に動力を与える機能部であり、入力された制御信号に基づいて車輪１１のモータを駆動し、車輪１１を回転させる。

これにより、手押し車１は、第１の制御モードとして、倒立振子制御を行い、本体部１０の姿勢を一定に保つように制御する。仮に、使用者が手押し車１を進行方向に対して順方向に押す動作を行うと、本体部１０の傾斜角度が目標傾斜角度に対して順方向に傾くことになるため、本体部１０の傾斜角度を目標傾斜角度に維持するために、車輪１１を順方向に回転させるトルクが働く。これにより、使用者の移動に追従して手押し車１も移動する。

そして、本実施形態の手押し車１は、ブレーキ指示部２８を操作（ブレーキレバーを握る等）してブレーキをかけると、ブレーキ判断部２１５に車輪を停止させるための信号が入力される。ブレーキ判断部２１５は、ブレーキがオンされた情報（ブレーキがかけられた旨を示す情報）を目標角度決定部２１１に出力する。

目標角度決定部２１１は、ブレーキがオンされた情報が入力されると、目標傾斜角度として、第１の角度より本体部１０が後方に傾く角度である第２の角度を出力する。これにより、制御部２１は、第２の制御モードに移行する。第２の制御モードでは、第１の制御モードよりも後方に本体部１０が傾斜するように目標角度が補正されるため、より強く使用者を後方に押し返す力を得ることができ、ブレーキ効果が働く。

そして、制御部２１は、第２の制御モードに移行してから所定時間経過後、またはブレーキ判断部２１５がブレーキ量に相当する情報を出力する場合には当該ブレーキ量が所定の閾値を超えたとき、第３の制御モードに移行する。

第３の制御モードでは、制御部２１は、図４（Ｂ）に示すように、倒立振子制御を停止する。そして、ブレーキ判断部２１５は、トルク指令生成部２１３に対して、車輪１１の回転を停止させるトルクを算出するように指示する。この場合、トルク指令生成部２１３は、車輪用ロータリエンコーダ２６から入力された車輪１１の回転角度から、車輪１１の回転速度または回転加速度を計算し、計算した回転速度または回転加速度に応じて、車輪１１の回転が停止する（回転速度が０になる）印加トルクを計算する。なお、機械的なロック機構または電磁的なロック機構を設け、車輪１１が回転しないようにする態様としてもよい。

また、第３の制御モードでは、ブレーキ判断部２１５は、支持部ロック機構２９に対して、本体部１０と支持部５３１の交差角を固定するように指示する。

図５および図６を参照して、支持部ロック機構２９について説明する。図５は、手押し車１の下部の拡大斜視図であり、図６は、支持部ロック機構２９の拡大図である。図５に示すように、支持部５３１は、本体部１０側の下部に設けられた支持フレーム部５３１Ｂを介して本体部１０（または車輪１１の回転軸）に接続されている。この支持フレーム部５３１Ｂは、本体部１０に対し、ピッチ方向に回転可能に接続されている。そして、本体部１０（または車輪１１の回転軸）には、支持フレーム部５３１Ｂよりも下方に下部ストッパ５５０が設置され、上方に上部ストッパ５５１が設置されている。これら下部ストッパ５５０および上部ストッパ５５１に支持フレーム部５３１Ｂが接触することにより、支持フレーム部５３１Ｂの回転範囲が制限される。したがって、本体部１０（または車輪１１の回転軸）と支持部５３１との交差角が所定の範囲に制限される。

そして、図６（Ａ）に示すように、支持フレーム部５３１Ｂは、回転軸の側面に円柱形状の突出部２９０が設けられ、その周囲にブレーキシュー２９１が設けられている。突出部２９０は、支持フレーム部５３１Ｂの回転軸に設けられているため、指示フレーム部５３１Ｂのピッチ方向の回転に合わせて回転する。そして、ブレーキ判断部２１５が支持部ロック機構２９に対して、本体部１０と支持部５３１の交差角を固定するように指示すると、ブレーキシュー２９１が突出部２９０を挟みこみ、当該突出部２９０の回転を制限する。これにより、本体部１０と支持部５３１の交差角が電磁的に固定される。なお、支持部ロック機構２９は、電源オフ時にブレーキシュー２９１が突出部２９０を挟みこみ、電源オン時にブレーキシュー２９１が開放されることが好ましい。

図６（Ｂ）は、本体部１０と支持部５３１の交差角が機械的に固定される場合の機構を示したものである。この場合、支持フレーム部５３１Ｂのピッチ方向の回転に合わせて回転するギア９００が設けられ、ブレーキ判断部２１５が支持部ロック機構２９に対して、本体部１０と支持部５３１の交差角を固定するように指示すると、ギア９００の溝にロック板９０１がはめ込まれ、ギア９００の回転を制限する。これにより、本体部１０と支持部５３１の交差角が電磁的に固定される。なお、支持部ロック機構２９は、電源オフ時にギア９００の溝にロック板９０１がはめ込まれ、電源オン時にロック板９０１が開放されることが好ましい。

このようにして、第３の制御モードでは、車輪１１の回転が停止され、さらに本体部１０と支持部５３１の交差角が所定の角度に固定される。使用者がブレーキレバー等を握ってブレーキ操作を行うと、まず第２の制御モードにより本体部１０が後方に傾けられて使用者を後方に押し返す力が発生してブレーキ効果が働き、その後に第３の制御モードにより車輪１１の回転が停止され、本体部１０と支持部５３１との交差角が固定される。

このような第２の制御モードおよび第３の制御モードの効果について、図７を参照して説明する。図７（Ａ）は、第２の制御モードおよび第３の制御モードを行わずに、車輪１１の回転を停止させた場合の重心位置を示したものである。図７（Ａ）に示すように、使用者がブレーキ操作を行ったときに、単に本体部１０と支持部５３１との交差角が固定され、車輪１１の回転が停止するだけでは、使用者の荷重および本体部１０の重量による重心位置が高く、当該重心位置が補助輪５３０よりも前方になる場合があり、前方に転倒し易くなる場合がある。しかし、上述のように、第２の制御モードに移行した場合には本体部１０が後方に傾けられるため、図７（Ｂ）に示すように、本体部１０が後方に傾いてブレーキ効果が働くとともに、使用者の荷重および本体部１０の重量による重心位置は、車輪１１と補助輪５３０の間になり、安定した状態となる。これにより、使用者がブレーキレバー等を握ってブレーキ操作を行うと、安全に停止することができる。

なお、ブレーキ判断部２１５は、第３の制御モードに移行した時点ですぐに交差角を固定するのではなく、現在の本体部１０の傾斜角度を入力し、当該傾斜角度が第２の角度から第１の角度に近づき、傾斜角度が鉛直方向に近くなってから、本体部１０と支持部５３１の交差角を固定するようにしてもよい。これにより、手押し車１が停止した後に、後方へ転倒することを防止することができる。

１０…本体部
１１…車輪
１５…把持部
２０…傾斜角センサ
２１…制御部
２２…ＲＯＭ
２３…ＲＡＭ
２４…ジャイロセンサ
２５…駆動部
２６…車輪用ロータリエンコーダ
２７…支持部用ロータリエンコーダ
２８…ブレーキ指示部
２９…支持部ロック機構
２１１…目標角度決定部
２１２…目標角速度計算部
２１３…トルク指令生成部
２１４…斜度推定部
２１５…ブレーキ判断部
５３０…補助輪
５３１…支持部

Claims (2)

1. 車輪と、
   前記車輪に動力を与える駆動部と、
   前記車輪に対してピッチ方向に回転可能に連結され、把持部を備える本体部と、
   前記本体部の進行方向前方に設けられ、前記本体部または前記車輪に対してピッチ方向に回転可能に連結された支持部と、
   前記支持部に設けられた補助輪と、
   前記車輪の回転を制御するために前記駆動部に制御信号を与える制御部と、
   前記把持部のピッチ方向の傾斜角の角度変化を検出する角度変化検出手段と、
   前記車輪の回転にブレーキをかける指示を受け付けるブレーキ指示部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記本体部の角度変化が０となり、かつ鉛直方向に対する前記本体部の傾斜角度が第１の角度になるよう前記車輪を制御する第１の制御モードと、
   前記ブレーキ指示部が前記指示を受け付けた場合、前記本体部の角度変化が０となり、かつ鉛直方向に対する前記本体部の傾斜角度が、前記第１の角度より前記本体部の進行方向後方である第２の角度になり、前記車輪の回転速度が減少するよう前記車輪を制御する第２の制御モードと、
   前記第２の制御モードの後、前記本体部の傾斜角度を、前記第２の角度から前記第１の角度に近づけた後、前記本体部と前記支持部の交差角を所定の角度に固定し、前記車輪の回転を停止させる第３の制御モードと、
   を有する手押し車。
2. 前記ブレーキ指示部は、ブレーキ量を検出し、
   前記制御部は、前記ブレーキ指示部が検出した前記ブレーキ量が所定の閾値を超えた場合に前記第２のモードから前記第３のモードに移行する請求項１に記載の手押し車。