JP6585126B2 - 歩行支援装置の制御方法 - Google Patents
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(1) 第1モータ(第1モータ10)と、
第2モータ(第2モータ20)と、
前記第1モータ及び前記第2モータを収容する本体ケース(本体ケース30)と、
該本体ケースに設けられ、歩行者に把持される把持部(把持部40)と、
同一円周上に配置される複数の自転軸(自転軸51)を中心として回転可能な複数の駆動輪(駆動輪50)と、
複数の前記自転軸を回転可能に支持するとともに、複数の前記自転軸の中心を回転軸(回転軸61)として回転可能に前記本体ケースに支持されるハブケース(ハブケース60)と、を備え、
前記第1モータは、自転トルク伝達機構(自転トルク伝達機構70)を介して複数の前記駆動輪に動力伝達可能に接続され、
前記第2モータは、公転トルク伝達機構(公転トルク伝達機構90)を介して前記ハブケースに動力伝達可能に接続されるとともに、バランストルク伝達機構(バランストルク伝達機構100)を介して前記本体ケースに動力伝達可能に接続され、
前記第2モータと前記ハブケース及び前記本体ケースとの動力伝達経路上には、不可逆回転伝動体(不可逆回転伝動体110)が設けられ、
前記不可逆回転伝動体は、前記第2モータのトルクを、
前記ハブケースの回転が規制された状態では前記バランストルク伝達機構を介して前記本体ケースに伝達し、前記本体ケースを前記回転軸を中心に回転させ、
前記ハブケースの回転が許容された状態では前記公転トルク伝達機構を介して前記ハブケースに伝達し、前記ハブケースを前記回転軸を中心に回転させる、歩行支援装置(歩行支援装置1)の制御方法であって、
歩行者の移動の意思情報に応じて前記歩行支援装置の進行方向への移動を支援するように前記第1モータを制御する走行支援制御(走行支援制御S1)と、
前記歩行支援装置が倒れないように前記第2モータを制御するバランス制御(バランス制御S2)と、を行う。
前記駆動輪が下り坂を下る際、前記駆動輪の回転を減速させるように前記第1モータを回生駆動し、前記駆動輪の回転を歩行者の歩行速度に合わせる。
歩行者が止ろうとする際、前記駆動輪の回転を減速させるように前記第1モータを回生駆動し、前記駆動輪の回転を停止させる。
また、歩行支援装置の進行方向の重心をバランスさせるように第2モータを制御するので、歩行者に与える負荷を低減しつつ、歩行者の移動を支援できる。
図1〜図4に示すように、本発明の一実施形態に係る歩行支援装置1は、第1モータ10と、第2モータ20と、第1モータ10及び第2モータ20を収容する本体ケース30と、該本体ケース30に設けられ、歩行者に把持される把持部40と、同一円周上に配置される複数の自転軸51を中心として回転可能な複数の駆動輪50と、複数の自転軸51(駆動輪50)を回転可能に支持し、且つ複数の自転軸51の中心を回転軸61として回転可能に本体ケース30に支持されるハブケース60と、第1モータ10から複数の駆動輪50へトルクを伝達する自転トルク伝達機構70と、第1モータ10と複数の駆動輪50との間のトルク伝達経路上に設けられる制動機構80と、第2モータ20からハブケース60へトルクを伝達する公転トルク伝達機構90と、第2モータ20から本体ケース30へトルクを伝達するバランストルク伝達機構100と、第2モータ20とハブケース60及び本体ケース30との間のトルク伝達経路上に設けられる不可逆回転伝動体110と、歩行者の移動の意思情報に応じて第1モータ10、第2モータ20及び制動機構80を制御する制御部120(図7参照)と、第1モータ10、第2モータ20などに電気的に接続されるバッテリ130と、を備える。
第1モータ10は、モータカバー11の内周部に固定されるステータ12と、ステータ12の内周側に回転可能に配置されるロータ13と、ロータ13の内周部に結合され、モータカバー11に回転可能に支持されるロータ軸14と、を備える。モータカバー11は、本体ケース30に固定されており、ロータ軸14から出力されるトルクが自転トルク伝達機構70を介して複数の駆動輪50に伝達される。
第2モータ20は、モータカバー21の内周部に固定されるステータ22と、ステータ22の内周側に回転可能に配置されるロータ23と、ロータ23の内周部に結合され、モータカバー21に回転可能に支持されるロータ軸24と、を備える。第2モータ20は、不可逆回転伝動体110を介して公転トルク伝達機構90及びバランストルク伝達機構100に接続され、ロータ軸24又はモータカバー21から出力されるトルクがハブケース60又は本体ケース30に伝達される。
本体ケース30は、第1モータ10及び第2モータ20を収容するモータ収容部31と、モータ収容部31の左右方向一方側に連結され、公転トルク伝達機構90を収容する公転トルク伝達機構収容部32と、モータ収容部31の左右方向他方側に連結され、自転トルク伝達機構70及び制動機構80を収容する自転トルク伝達機構収容部33と、自転トルク伝達機構収容部33の外側に連結され、バランストルク伝達機構100を収容するバランストルク伝達機構収容部34と、把持部40とモータ収容部31の上部を連結し、且つバッテリ130を収容する筒状部35と、を備える。
把持部40には、歩行者の移動の意思情報を取得するセンサ装置や入力装置が設けられている。センサ装置としては、本体ケース30の前後傾斜を検出する本体傾斜検出センサ122(図7参照:3軸加速度センサなど)が設けられ、把持部40における本体ケース30の前傾操作に基づいて歩行者が移動(前進)しようとする意思情報を取得し、把持部40における本体ケース30の後傾操作に基づいて歩行者が止ろうとする意思情報を取得する。また、入力装置としては、把持部40を握った手の指で操作される操作レバー41が設けられ、該操作レバー41の操作に基づいて歩行者が歩行支援装置1を放置状態に戻そうとする意思情報を取得する。なお、歩行者の移動の意思情報を取得するセンサ装置や入力装置は、上記のものに限定されず、例えば、感圧センサ、操作ボタン、アクセルハンドル、音声認識装置などを設けてもよい。
本実施形態の歩行支援装置1は、同一円周上に配置される3つの駆動輪50を備える。段差の乗り越え、及び階段の登り降りを除く通常の走行状態では、3つの駆動輪50のうち、接地する2つの駆動輪50が自転することで歩行支援装置1を進行方向に移動させる。なお、本実施形態の駆動輪50は、図4に示すように、小さな段差を自転のみで乗り越えられる程度の直径Aを有するとともに、接地する2つの駆動輪50の進行方向前端から進行方向後端までの距離Bがエレベータに入れる程度に設定され、さらに、隣接する駆動輪50の前端部間の距離Cが公転によって階段を登り降りできる程度に設定されているが、これらの寸法や駆動輪50の個数は、歩行支援装置1の用途や使用環境に応じて任意に変更することができる。
ハブケース60は、その回転中心となる中空円筒形状の回転軸61と、回転軸61の左右方向一方側から外径方向に延出する3つの第1駆動輪支持ケース62と、回転方向において第1駆動輪支持ケース62と同相となるように回転軸61の左右方向他方側から外径方向に延出する3つの第2駆動輪支持ケース63と、を備え、第1駆動輪支持ケース62及び第2駆動輪支持ケース63の先端部間で駆動輪50の自転軸51を回転可能に支持している。また、回転軸61及び第2駆動輪支持ケース63は、自転トルク伝達機構70の一部を収容する伝動ケースに兼用されている。
自転トルク伝達機構70は、本体ケース30の自転トルク伝達機構収容部33に収容される上流側自転トルク伝達機構71と、ハブケース60の第2駆動輪支持ケース63に収容される下流側自転トルク伝達機構72と、ハブケース60の回転軸61内を通り、上流側自転トルク伝達機構71と下流側自転トルク伝達機構72とをトルク伝達可能に連結する貫通軸73と、を備える。
制動機構80は、上流側自転トルク伝達機構71の第1伝動軸711に設けられるディスク部81と、ディスク部81の外周側を左右両側から挟み込むことにより制動力を発生させる制動部82と、を備える。制動部82は、電気的に動作するアクチュエータを備え、該アクチュエータの駆動制御に基づいて制御部120が制動機構80を動作させる。なお、制動機構80は、制御部120が介在することなく、機械的に手動操作される手動式の制動機構であってもよい。
公転トルク伝達機構90は、本体ケース30の公転トルク伝達機構収容部32に回転可能に支持される4本の伝動軸91〜94を備え、第1伝動軸91が第2モータ20のロータ軸24に連結される。第1伝動軸91には、小径プーリ91aが設けられ、第2伝動軸92には、大径プーリ92a及び小径プーリ92bが設けられ、第3伝動軸93には、大径プーリ93a及び小径ギヤ93bが設けられ、第4伝動軸94には、大径ギヤ94a及び小径ギヤ94bが設けられている。第2モータ20のロータ軸24から第1伝動軸91にトルクが出力されると、第1伝動軸91の小径プーリ91aから第1伝動ベルト95を介して第2伝動軸92の大径プーリ92aにトルクが伝達され、このトルクが第2伝動軸92の小径プーリ92bから第2伝動ベルト96を介して第3伝動軸93の大径プーリ93aに伝達されるとともに、第3伝動軸93の小径ギヤ93bから第4伝動軸94の大径ギヤ94aに伝達され、さらに、第4伝動軸94の小径ギヤ94bからハブケース60の回転軸61の一端部に設けられる小径ギヤ61aに伝達される。
バランストルク伝達機構100は、本体ケース30のバランストルク伝達機構収容部34に回転可能に支持される4本の伝動軸101〜104を備え、第1伝動軸101が不可逆回転伝動体110を介して第2モータ20のモータカバー21に連結される。第1伝動軸101には、小径プーリ101aが設けられ、第2伝動軸102には、大径プーリ102a及び小径プーリ102bが設けられ、第3伝動軸103には、大径プーリ103a及び小径ギヤ103bが設けられ、第4伝動軸104には、大径ギヤ104a及び小径ギヤ104bが設けられている。第2モータ20のモータカバー21から不可逆回転伝動体110を介して第1伝動軸101にトルクが伝達されると、第1伝動軸101の小径プーリ101aから第1伝動ベルト105を介して第2伝動軸102の大径プーリ102aにトルクが伝達され、このトルクが第2伝動軸102の小径プーリ102bから第2伝動ベルト106を介して第3伝動軸103の大径プーリ103aに伝達されるとともに、第3伝動軸103の小径ギヤ103bから第4伝動軸104の大径ギヤ104aに伝達され、さらに、第4伝動軸104の小径ギヤ104bから本体ケース30に設けられる小径ギヤ30aに伝達される。小径ギヤ30aは、ハブケース60の回転軸61及び小径ギヤ61aと同一軸心上に配置されており、小径ギヤ30aにトルクが入力されると、その反力で本体ケース30が前後に傾斜される。
図3及び図5の(a)、(b)に示すように、不可逆回転伝動体110は、入力軸111と、出力軸112と、外輪部材113と、を有し、入力軸111のトルクは出力軸112に伝達され、出力軸112のトルクは入力軸111に伝達されず、外輪部材113に伝達され、出力軸112が固定された状態では入力軸111も回転せず、外輪部材113の回転が許容される特性を持った機械要素であり、例えば、NTN株式会社製のロックタイプのトルクダイオード(登録商標)を用いることができる。なお、図5は不可逆回転伝動体110の動作を説明するための模式図であり、図3の記載のものと形状が異なっている。
制御部120は、歩行支援装置1の進行方向への移動を支援するように第1モータ10を制御し、歩行支援装置1の進行方向の重心をバランスさせるように第2モータ20を制御する。制御部120による第1モータ10及び第2モータ20の詳細な制御方法は後述する。
つぎに、歩行支援装置1における各部の配置構成について、図1〜図3を参照して説明する。
つぎに、歩行支援装置1の制御方法について、図7〜図10を参照して説明する。
つぎに、歩行支援装置1の動作について、図11〜図15を参照して説明する。
図11の(a)及び(b)に示すように、放置状態(自立格納状態)の歩行支援装置1は、2輪で接地する駆動輪50の回転がON状態の制動機構80によって規制されるとともに、開き状態のスタンド37によって本体ケース30の左右方向の倒れが規制され、さらに、不可逆回転伝動体110が本体ケース30とハブケース60とを結合することによって本体ケース30の前後方向の倒れが規制されている。
図12の(a)に示すように、歩行者は、歩行を開始する場合、把持部40に進もうとする力を伝達する(前方押し操作)。制御部120は、本体傾斜検出センサ122の検出角度変化に基づいて歩行者の意思情報「歩行」を取得すると、走行支援制御において制動機構80をOFF状態に切り換えるとともに、駆動輪50が歩行者の歩行速度(進もうとする力が相殺される速度)に合わせて回転するように第1モータ10を制御する。また、制御部120は、バランス制御による第2モータ20の制御により、歩行支援装置1の前後方向の重心バランスを取り続ける。
図13の(a)に示すように、歩行者は、歩行を停止する場合、把持部40に止ろうとする力を伝達する(後方引き操作)。制御部120は、本体傾斜検出センサ122の検出角度変化に基づいて歩行者の意思情報「停止」を取得すると、走行支援制御において駆動輪50の回転を減速させるように第1モータ10を回生駆動し、駆動輪50の回転を停止させる。また、制御部120は、バランス制御による第2モータ20の制御により、歩行支援装置1の前後方向の重心バランスを取り続ける。
図13の(b)に示すように、制御部120は、駆動輪50が下り坂を下る場合、バランス制御による第2モータ20の制御により、歩行支援装置1の前後方向の重心バランスを取り続けることにより、歩行路に対して本体ケース30を後傾させる。また、制御部120は、走行支援制御において、回転角度センサ124の検出角度に基づいて下り坂を判断するとともに、駆動輪50の回転を減速させるように第1モータ10を回生駆動し、駆動輪50の回転を歩行者の歩行速度に合わせる。
図14の(a)に示すように、歩行中、先行する駆動輪50が上り階段にぶつかった場合、慣性力と歩行者の前に進もうとする力によって本体ケース30が前傾するつんのめり状態となる。前述したように、つんのめり状態では、不可逆回転伝動体110によって本体ケース30とハブケース60とが結合状態となり、接地している2つの駆動輪50のうち、後続の駆動輪50が先行する駆動輪50を支点として浮き上がる状態が許容される。
図15の(a)に示すように、歩行中、先行する駆動輪50が下り階段に到達した場合、先行する駆動輪50が段差から落ちる。このとき、支点が後続の駆動輪50のみとなり、前後方向の重心が前側にずれるので、本体ケース30を進行方向に対して後傾させるトルクが第2モータ20からバランストルク伝達機構100を介して本体ケース30に伝達されるが、このとき、前に進もうとする力や荷物Bの荷重によって本体ケース30を前傾させるモーメントは、第2モータ20のトルクによって本体ケース30を後傾させるモーメントよりも大きいので、その反力でハブケース60が正転し、複数の駆動輪50を公転させる。これにより、歩行支援装置1が下り階段を降り始める。
以上説明したように、本実施形態の歩行支援装置1の制御方法によれば、第1モータ10及び第2モータ20の駆動に応じて自転及び公転が可能な複数の駆動輪50を備え、複数の駆動輪50の公転によって様々な歩行路への適応が可能な歩行支援装置1において、歩行者の移動の意思情報に応じて歩行支援装置1を進行方向へ移動させることができる。
10 第1モータ
20 第2モータ
30 本体ケース
40 把持部
50 駆動輪
51 自転軸
60 ハブケース
61 回転軸
S1 走行支援制御(走行支援工程)
S2 バランス制御(バランス工程)
Claims (3)
- 第1モータと、
第2モータと、
前記第1モータ及び前記第2モータを収容する本体ケースと、
該本体ケースに設けられ、歩行者に把持される把持部と、
同一円周上に配置される複数の自転軸を中心として回転可能な複数の駆動輪と、
複数の前記自転軸を回転可能に支持するとともに、複数の前記自転軸の中心を回転軸として回転可能に前記本体ケースに支持されるハブケースと、を備え、
前記第1モータは、自転トルク伝達機構を介して複数の前記駆動輪に動力伝達可能に接続され、
前記第2モータは、公転トルク伝達機構を介して前記ハブケースに動力伝達可能に接続されるとともに、バランストルク伝達機構を介して前記本体ケースに動力伝達可能に接続され、
前記第2モータと前記ハブケース及び前記本体ケースとの動力伝達経路上には、不可逆回転伝動体が設けられ、
前記不可逆回転伝動体は、前記第2モータのトルクを、
前記ハブケースの回転が規制された状態では前記バランストルク伝達機構を介して前記本体ケースに伝達し、前記本体ケースを前記回転軸を中心に回転させ、
前記ハブケースの回転が許容された状態では前記公転トルク伝達機構を介して前記ハブケースに伝達し、前記ハブケースを前記回転軸を中心に回転させる、歩行支援装置の制御方法であって、
歩行者の移動の意思情報に応じて前記歩行支援装置の進行方向への移動を支援するように前記第1モータを制御する走行支援制御と、
前記歩行支援装置が倒れないように前記第2モータを制御するバランス制御と、を行う、歩行支援装置の制御方法。 - 請求項1に記載の歩行支援装置の制御方法であって、
前記駆動輪が下り坂を下る際、前記駆動輪の回転を減速させるように前記第1モータを回生駆動し、前記駆動輪の回転を歩行者の歩行速度に合わせる、歩行支援装置の制御方法。 - 請求項1に記載の歩行支援装置の制御方法であって、
歩行者が止ろうとする際、前記駆動輪の回転を減速させるように前記第1モータを回生駆動し、前記駆動輪の回転を停止させる、歩行支援装置の制御方法。
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