JP7220810B2 - 電動歩行補助車 - Google Patents

Description

本発明は、電動歩行補助車に関する。

従来、老人や脚力の弱い人の歩行を補助するために、電動歩行補助車が知られている（例えば特許文献１～３参照）。電動歩行補助車は、歩行時に歩行者（使用者）と一体となって使用される。一部の電動歩行補助車は、モータのトルクブレーキを利用して車両と使用者が離れすぎないようにしている。

特開２００９－１８３４０７号公報 特開平８－２８０７６３ 特開平１１－２６７１６２

従来の電動歩行補助車では、例えばバッテリの充電し忘れ等により使用中にバッテリの電力がなくなり、適切な動作ができなくなる場合がある。したがって、この問題の改善が望まれる。

上記課題を解決するために、本発明のある態様は、車体に設けられた車輪と、車輪の回転に応じて回生電力を発生する発電機構と、前記発電機構が発生させた回生電力によって前記車輪に制動力を付与するブレーキを制御する制御装置と、を含む電動歩行補助車である。

一実施形態の歩行補助車の斜視図である。 同歩行補助車の側面図である。 同歩行補助車の回路構成を示す。 図４（ａ）は高抵抗走行状態を示し、図４（ｂ）は上り坂走行状態を示し、図４（ｃ）は片傾斜走行状態を示し、図４（ｄ）は極低速走行状態を示す。 制動力と走行速度の関係を示す。 図６（ａ）は第１の実施形態のブレーキ比とデューティ比との関係を示し、図６（ｂ）は第２の実施形態のブレーキ比とデューティ比との関係を示す。 電動発電機の抵抗に対する電源接続抵抗の比率と、回生電圧の増加量に対する電流の増加量の比率との関係を例示する。 第３の実施形態の歩行補助車の回路構成を示す。 蓄電装置における蓄電の仕方を示す。 第３の実施形態の歩行補助車の回路構成の他の例を示す。 第４の実施形態の歩行補助車の回路構成を示す。 第５の実施形態の歩行補助車の回路構成を示す。 第６の実施形態の歩行補助車の回路構成を示す。

＜第１の実施形態＞以下、図面を参照しながら、本実施形態の電動歩行補助車について説明する。以下の説明では、同一の構成には同一の符号を付し、それらについての繰り返しの説明は省略する。以下の実施形態では電動歩行補助車として、例えば高齢者の歩行を補助する歩行補助車を例示する。しかし、電動歩行補助車としては、少なくとも電力によりブレーキを制御するあらゆる歩行補助車両を採用できる。歩行補助車両は、使用者が押す等して車両に入力又は付与された力を主動源として車輪を回転させ駆動する。このような歩行補助車両の例としては歩行補助車の他に車椅子、シルバーカー、ベビーカー、荷を搬送するための台車がある。

本明細書において「ブレーキ」とは、車輪又は車軸に対して使用者の意図的操作によりブレーキシュー等の摩擦要素を接触させて車輪の回転速度を低下させる機械的ブレーキと、使用者の意図的操作によらず電気的な制御により車輪の回転で生じる運動エネルギーを回収することで車輪の回転速度を低下させる電気的ブレーキとを含む。また、電気的ブレーキは、モータを通常の駆動方向とは逆方向に回転駆動させて車輪の回転数を低下させるブレーキも含む。さらに、本明細書において「電動歩行補助車」とは、少なくとも電気的ブレーキを備える歩行補助車を意味する。したがって、歩行補助車全体において電気で制御される要素が電気的ブレーキのみであっても電動歩行補助車に含まれる。

本明細書において「前方向」とは、歩行補助車の通常の使用状態における前進方向を意味する。「ピッチ角度」とは、車幅方向に延びる軸（ピッチ軸）周りにおける角度を意味する。「ロール角度」とは、歩行補助車の前後方向に延びる軸（ロール軸）周りにおける角度を意味する。「ヨー角度」とは、車両の上下方向に延びる軸（ヨー軸）周りにおける角度を意味する。「路面の傾斜角度」とは、歩行補助車の走行面の傾斜角度を意味する。路面の傾斜角度は、歩行補助車の傾斜角度と同一であると推定され、ピッチ軸若しくはロール軸周りの角度、又はピッチ軸及びロール軸周りの角度の組み合わせによって示される。

［歩行補助車の全体構成］図１及び図２に示すように、歩行補助車１００は、車体の本体フレーム１１と、車体の本体フレーム１１に設けられた一対の前輪１２及び一対の後輪１３と、本体フレーム１１に設けられた支持パッド（身体支持部）１４とを含む。歩行補助車１００は、老人や脚力の弱い人の歩行を補助する。使用者は、歩行補助車１００の使用時に支持パッド１４に前腕や肘を載せて、支持パッド１４に体重（荷重）をかけた状態で、ハンドルバー１５とブレーキレバー１６とをつかみながらハンドルバー１５を押して使用者が歩行補助車１００に力を付与し歩行動作を行う。従ってハンドルバー１５が使用者からの力を受ける受け部となり、歩行補助車１００は受け部で受けた力で移動する。

本体フレーム１１は、歩行補助車１００の設置面に垂直な方向から所定の角度だけ傾斜する一対の支持フレーム２１を含む。支持フレーム２１は、一例としてパイプ状部材により構成される。支持フレーム２１の下端側には、一対の下段フレーム５１が水平に配置される。下段フレーム５１の前端側には、一対の前輪１２が取り付けられる。下段フレーム５１の後端側には、一対のリンク機構５５が設けられる。

一対の下段フレーム５１の上方には、一対の上段フレーム５４が設けられる。上段フレーム５４の後端側には、一対の後輪フレーム５７の一端側が軸５６を介して回動可能に結合される。後輪フレーム５７の他端側には、一対の後輪１３がそれぞれ設けられる。

一対の支持フレーム２１の上端部には、一対のハンドル２４が設けられる。一対のハンドル２４は、歩行補助車１００の設置面に対して概ね水平に設けられる。一対のハンドル２４は、一例としてパイプ状部材により構成される。一対のハンドル２４には、着座時に使用者が姿勢を安定させるためにつかまるグリップ部２３（図２参照）がそれぞれ設けられる。また、一対のハンドル２４の前方側には、ハンドル２４と一体的なパイプ状のハンドルバー１５が形成される。ハンドルバー１５の一端は一対のハンドル２４のうちの一方のハンドル２４に結合され、ハンドルバー１５の他端は他方のハンドル２４に結合される。なお、ハンドルバー１５が、ハンドル２４とは別部材により構成されてもよい。

一対の後輪１３の外周には、機械的に接触可能な一対のブレーキシュー２５（図１において省略、図２参照）が設けられる。ブレーキシュー２５は、本体フレーム１１内に配設されたブレーキワイヤー（図示せず）の一端に接続される。ワイヤーの他端は、ハンドルバー１５の両側に設けられた一対のブレーキユニット６１のワイヤー接続機構に連結される。なお、ワイヤーは本体フレーム１１内に格納されるが、ワイヤーを本体フレームの外側に配置することにより、外観上、ワイヤーが使用者から見えるように構成されてもよい。

ハンドルバー１５の前下方向には、ハンドルバー１５に対向するようにブレーキレバー１６が配置される。ブレーキレバー１６の両端部は、一対のブレーキユニット６１に連結される。ブレーキレバー１６の両端部は、巻きばね等の付勢手段を介してブレーキユニット６１に取り付けられる。使用者は、ブレーキレバー１６を手前に（図２の矢印ＲＡの方向に）引くことで、ワイヤアクションにより、機械的なブレーキをかけることができる。すなわち、ブレーキレバー１６の操作によりブレーキシュー２５が制御される。

使用時に使用者は、ブレーキレバー１６を手前側に（ハンドルバー１５に近づける方向に）ブレーキ作動位置まで引く。ブレーキレバー１６と連結されたワイヤーのアクションによって、ブレーキシュー２５が移動して後輪１３の外周を押圧する。使用者がブレーキレバー１６から手を離すと、ブレーキレバー１６は元の位置（通常位置）に戻る。これに伴って、ブレーキシュー２５も後輪１３から離れ機械的なブレーキが解除される。また、ブレーキレバー１６は、矢印ＲＡの反対方向（下側）に降ろすことができる。ブレーキレバー１６をパーキング位置まで降ろすことで、ワイヤアクションを介してブレーキシュー２５により後輪１３を押圧した状態を維持する。

一対のハンドル２４の上に身体支持部である支持パッド１４が搭載される。本実施の形態では、使用者の前腕、肘またはこれらの両方を支持する。

支持パッド１４の形状は馬蹄状、Ｕ字型の直線形状等である。支持パッド１４はスポンジまたはゴム製素材のようなクッション材を、木板または樹脂板などの板材の上に置き、樹脂性や布製の任意の被覆材で被覆したものである。ただし、支持パッド１４は板材のみの構成でもよい。

支持パッド１４の下面の左右両側には、一対のアーム部材２６の一端が固定される。アーム部材２６の他端は、一対のハンドルバー１５の外側にそれぞれ回動可能に取り付けられる。使用者が支持パッド１４を上方に押し上げる（跳ね上げる）ことで、支持パッド１４が図２の矢印ＲＢの方向に回動し、所定位置（退避位置）で固定される（図２の仮想線参照）。シート部３７上には、使用者の上半身を収容する空間が確保される。この状態で、使用者は、一対のグリップ部２３を両手でつかみながら支持パッド１４を背中側にしてシート部３７に着座できる。グリップ部２３をつかむことで、使用者は、着座の際に自身の姿勢を安定させられる。このように、支持パッド１４は、押し上げられる前の位置（通常位置）において歩行補助車のシート部３７に使用者が着座することを阻害し、押し上げられた後の位置（退避位置）において、シート部３７に使用者が着座することを許容する。

ここでは、使用者が手動で支持パッド１４を押し上げる構成を示したが、別の例として、図示しないロック機構を設け、ロック機構により固定を解除することで、自動的に支持パッド１４を押し上げてもよい。あるいは、アーム部材２６を回動させる電動機構（モータ等）を設け、電動機構をスイッチ起動により作動させ、支持パッド１４を押し上げてもよい。

一対の上段フレーム５４の間には、樹脂や布でできた収容部２７（図２参照）が吊り下げられるように設けられる。収容部２７は、上方が開口した袋状で、荷を収容する。着座用のシート部３７は収容部２７の蓋部としても機能する。

収容部２７の後ろに、一対の上段フレーム５４から下方向に延在したレバー２８が設けられる。レバー２８は、使用者が脚で踏める位置に配置される。使用者がレバー２８を下げることで、一対の後輪フレーム５７および一対の後輪１３が一対の前輪１２に近づくようにリンク機構５５が折り畳まれ、歩行補助車１００全体が折畳まれる。

［回路構成］図３の歩行補助車１００は、電動発電機１０１と、蓄電装置１０２と、ＰＷＭ制御用スイッチング素子（以下、ＰＷＭ制御用ＳＷ素子）１０３と、センサ部１０４と、制御装置１０５とを含む。これらは、１つの筐体内に収容され、制御対象となる後輪１３と一体的に設けられる。この場合、一対の後輪１３の各々に、これらを収容した筐体を取り付けてもよい。

電動発電機１０１は、後輪１３の車軸と接続され、後輪１３の回転速度を抑制する電気式ブレーキとして機能する。電動発電機１０１は、後輪１３の回転により生じた運動エネルギーを回収し、蓄電装置１０２に蓄える。したがって、電動発電機１０１は、回生ブレーキ又は発電ブレーキとして機能する。電動発電機１０１として、サーボモータ、ステッピングモータ、ＡＣモータ、ＤＣモータ等が利用できる。なお、電動発電機１０１は、前輪１２に接続されてもよく、前輪１２及び後輪１３の両方に接続されてもよい。本実施形態の電動発電機１０１は、発電機構の例である。

蓄電装置１０２は、電動発電機１０１と電気的に接続され、電動発電機１０１で生じた回生電力の供給を受け、充電される。回生電力は使用者が本電動歩行補助車を能動的に動かしているときに発生する。蓄電装置１０２は、制御装置１０５に電気的に接続され、制御装置１０５に電力を供給する。各ハードウェアを駆動するための電力は蓄電装置１０２から供給される。蓄電装置１０２として、コンデンサ、リチウムイオン電池のような二次電池などのバッテリが用いられる。蓄電装置１０２は、回生電力のみ、またはそれに加え、外部電源を用いて充電可能とする。

ＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）で、電動発電機１０１の短絡と開放の間で回路状態を切り替える。ＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３は、電動発電機１０１の第１端子１０１Ａ及び第２端子１０１Ｂに接続される。ＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３は、制御装置１０５によってＰＷＭ制御される。詳細は後述する。

センサ部１０４は、単数又は複数のセンサを備え各センサの検出結果を制御装置１０５に送信する。センサ部１０４は、ピッチ軸、ロール軸、及びヨー軸周りの車両の角速度を検出する角速度センサ１１１と、ピッチ軸、ロール軸、及びヨー軸周りの歩行補助車の加速度を検出する加速度センサ１１３と、後輪の回転速度及び回転方向を検出する速度センサ１１５と、歩行補助車１００のピッチ角度、ロール角度及びヨー角度を検出する角度センサ１１７と、を備える。角速度センサ１１１及び加速度センサ１１３として、これらを組み合わせた６軸慣性センサを用いてもよい。また、例えばヨー軸周りの角速度及び加速度を検出する必要がない場合には、少なくともピッチ軸及びロール軸周りの角速度及び加速度を検出可能な４軸慣性センサを用いてもよい。速度センサ１１５としてはホール素子を用いてもよいし、電動発電機１０１の逆起電力から速度を算出してもよい。また加速度センサの代わりに地磁気センサを用いてもよい。これらセンサの検出結果は、有線方式又は無線方式で信号として制御装置１０５に送信される。

また、センサ部１０４はピッチ軸又はピッチ軸周りの水平面に対する傾斜角度を検出する傾斜センサを備えていてもよい。また、ロール角を検出する必要がない場合には、ピッチ軸周りの角速度及びロール軸方向の加速度を検出可能なセンサを用いてもよい。またピッチ角又はロール軸周りの回転を検出するためには加速度だけを検出できればよく、必ずしも角速度は必要ではない。また、水平面に対する傾斜角度又は傾斜の有無を検出するために加速度センサ１１３の検出値の履歴又は経時的な変化を用いてもよく、この場合には傾斜センサは不要である。また速度を検出するために加速度センサ１１３の検出値を積分してもよく、この場合には速度センサ１１５は不要である。また前後方向の加速度を検出する加速度センサ１１３を設けずに、速度センサ１１５の検出値を微分して前後方向の加速度を算出してもよい。このように速度、及び加速度の取得は、加速度センサ１１３、及び速度センサ１１５の何れか１つを用いれば実現可能である。

制御装置１０５は、回生電力を用いて電動発電機１０１を制御することにより後輪に制動力を付与するブレーキを制御する。制御装置１０５は、歩行補助車１００の走行により電動発電機１０１に生じた回生電力によって動作する。制御装置１０５は、蓄電装置１０２と並列に接続される。制御装置１０５は、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）のような演算処理を行うプロセッサ、情報及び命令を格納するメモリ、プロセッサによる演算に用いられる一時メモリのようなハードウェアにより構成される。制御装置１０５は、各センサから得られた検出結果を利用して電動発電機１０１によるブレーキの制動力を制御する。例えば、制御装置１０５は、制動力の大きさを演算し、その制動力を発生させるためにＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３をＰＷＭ制御することで、制動力を制御する。

制御装置１０５は、走行状態推定部１２１と、ブレーキ制御部１２３とを含む。走行状態推定部１２１は、歩行補助車１００が走行状態を推定する。推定する走行状態の例を図４（ａ）～（ｄ）に示す。図４（ａ）に示すように、走行状態推定部１２１は、加速度センサ１１１による走行時の鉛直方向の加速度の検出結果に基づいて、走行抵抗が所定の抵抗閾値よりも大きい道（例えば、芝生、砂利道等）を歩行補助車１００が走行している状態（以下「高抵抗走行状態」）であるか否かを推定する。図４（ｂ）及び（ｃ）に示すように、走行状態推定部１２１は、角度センサ１１５の検出結果に基づいて、上り坂の道又は片傾斜の道を歩行補助車１００が走行している状態（以下、それぞれ「上り坂走行状態」、「片傾斜走行状態」）であるか否かを推定する。なお、「片傾斜の道」とは、図４（ｃ）に示すように、歩行補助車の左右方向に傾斜している道をいう。図４（ｄ）に示すように、走行状態推定部１２１は、速度センサ１１３の検出結果に基づいて、歩行補助車１００の走行速度が所定の下限速度（例えば図５参照）以下の走行状態（以下「極低速走行状態」）であるか否かを推定する。走行状態推定部１２１は走行路面を撮像し、撮像画像を解析して走行状態を推定してもよい。

さらに、図３の歩行補助車１００は、電源接続抵抗Ｒ１と、第１及び第２ダイオードＤ１及びＤ２とを含む。

電源接続抵抗Ｒ１は、電動発電機１０１と蓄電装置１０２とに直列接続される。本実施形態では、電源接続抵抗Ｒ１は、ＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３のオフ側端子と蓄電装置１０２との間に配置される。電源接続抵抗Ｒ１の抵抗値は、電動発電機１０１に供給される電流に影響を与える。例えば、電源接続抵抗Ｒ１の抵抗値が比較的大きい場合、電動発電機１０１には比較的小さい電流が流れ、電源接続抵抗Ｒ１の抵抗値が比較的小さい場合、電動発電機１０１には比較的大きい電流が流れる。そのため、電源接続抵抗Ｒ１の抵抗値を調整することにより、電動発電機１０１の制動力を調整できる。本実施形態では、電源接続抵抗Ｒ１として、電動発電機１０１の抵抗よりも小さい抵抗が用いられる。例えば、電動発電機１０１の抵抗０．３２［Ω］に対して、電源接続抵抗Ｒ１は０．１［Ω］である。電源接続抵抗Ｒ１は、蓄電装置１０２と電動発電機１０１の第２端子１０１Ｂとの間に配置されてもよい。

第１及び第２ダイオードＤ１及びＤ２は、電動発電機１０１の第１端子１０１Ａから第２端子１０１Ｂへの方向に電流を流す。第１ダイオードＤ１は、ＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３のオフ側端子と電源接続抵抗Ｒ１との間に配置される。第２ダイオードＤ２は、蓄電装置１０２と電動発電機１０１の第２端子１０１Ｂとの間に配置される。第１及び第２ダイオードＤ１及びＤ２については、いずれか１つでもよい。

以下、制御装置１０５による制御プロセスを説明する。制御装置１０５が主体的に行う動作は、プロセッサがメモリに格納された命令及び情報を参照し一時メモリ上で演算を実行することで実現される。

［ブレーキ制御］上述したように、ブレーキ制御部１２３は、ＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３のＰＷＭ制御により、電動発電機１０１による回生ブレーキの制動力を制御する。ＰＷＭ制御では、ブレーキ制御部１２３によってＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３がオンオフ制御される。

ブレーキ制御部１２３は、ＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３をオンオフ制御する制御信号をＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３に出力する。この制御信号は、ＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３のデューティ比を規定する。デューティ比とは、パルス周期に占めるＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３のオン時間の割合をいう。

歩行補助車１００が走行すると、車輪（後輪１３）の回転に応じて電動発電機１０１が回転し、電動発電機１０１に逆起電力が発生する。ＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３がオフの状態では、電動発電機１０１が蓄電装置１０２に接続され、電動発電機１０１において生じた起電力（回生電力）により、蓄電装置１０２が蓄電される。一方、ＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３がオンの状態では、電動発電機１０１が短絡される。短絡時は起電力に比例し電動発電機１０１の抵抗に反比例した電流が電動発電機１０１に流れるため、その電流に比例したブレーキトルクが発生する。したがって、デューティ比が大きいほど、電動発電機１０１に供給される電流が大きくなるため、ブレーキトルクが増大する。ブレーキトルクはオンのときとオフのときのブレーキトルクのデューティ比を重みとする平均となるため、デューティ比の増大に伴い、ブレーキトルクが増大する。

図５に示すように、ブレーキ制御部１２３は、歩行補助車１００の走行速度が所定の上限速度よりも大きい場合、走行速度を抑制して所定の走行速度にするよう第１回生ブレーキを作動させる。これにより、一定速度での走行が可能となる。この場合、ブレーキ制御部１２３は、速度センサ１１５の検出値を取得し検出値をモニタリングする。第１回生ブレーキが作動すると、例えば電動発電機１０１が制動力を発生させ後輪１３の回転速度を抑制する。これにより歩行補助車１００の速度が抑制され安全性が高められる。

ブレーキ制御部１２３は、歩行補助車１００の走行速度が所定の上限速度以下の場合、第１回生ブレーキよりも制動力が小さい第２回生ブレーキを作動させる。これにより、回生ブレーキが常時作動されて蓄電装置１０２が常時蓄電される。そのため、蓄電装置１０２の蓄電不足を解消しやすい。第２回生ブレーキでは、使用者が気にならない程度の一定の弱い制動力を維持することが好ましい。

ブレーキ制御部１２３は、走行速度に応じて予め定められたブレーキトルクを出力するように所定の時間間隔でデューティ比を決定する。しかし、デューティ比を決定しても、走行速度や蓄電装置１０２の電圧などにより電動発電機１０１に供給される電圧が変動するため、制動力が変動してしまう。そのため、本実施形態では、走行速度及び蓄電装置１０２の電圧に基づいてＰＷＭ制御のデューティ比を設定する。これにより、制動力の脈動を減らすことができ、使用中の違和感を減らすことができる。

例えば、ブレーキ制御部１２３は、走行速度が所定の速度範囲内のときに所定時間当たりの蓄電装置１０２の電圧の減少量が第１閾値よりも大きくなった場合にデューティ比を小さくする。これにより、蓄電装置１０２の電圧の低下による制動力の変動が抑制される。

また、ブレーキ制御部１２３は、走行速度が所定の速度範囲内のときに所定時間当たりの蓄電装置１０２の電圧の増加量が第２閾値よりも大きくなった場合にデューティ比を大きくする。これにより、蓄電装置１０２の電圧の上昇による制動力の変動が抑制される。

第１閾値及び第２閾値は設計に応じて適宜定められ、その最適値は実験等により定められる。

ブレーキ制御部１２３は、以下の方法によりデューティ比ｐを求める。まず、ブレーキ制御部１２３は、予め作成された走行速度に対するブレーキトルクの数値テーブルに基づいて、走行速度に応じて目標とするブレーキトルクＴを決定する。

ブレーキトルクＴは、図６（ａ）のデューティ比ｐとブレーキトルクＴの関係において示されるように、以下の式（１）で表される。
Ｔ＝Ａｐ－Ｂ 式（１）
ここで、式（１）中、Ａ及びＢは０よりも大きい値を示す。Ａは電動発電機１０１のトルク定数及び蓄電装置１０２の端子間電圧が増加するにつれて大きくなり、電動発電機１０１のインピーダンスが増加するにつれて小さくなる。また、Ｂは電動発電機１０１のトルク定数及び蓄電装置１０２の端子間電圧が増加するにつれて大きくなり、走行速度及び電動発電機１０１のインピーダンスが増加するにつれて小さくなる。

式（１）をデューティ比ｐについて整理すると、デューティ比ｐは以下の式（２）で表される。
ｐ＝（Ｔ＋Ｂ）／Ａ 式（２）
ブレーキ制御部１２３は、式（２）に基づいて、特定のブレーキトルクＴを出す際に必要なデューティ比ｐを求めることができる。

図６（ａ）に示すように、ブレーキトルクＴはデューティ比がある値（「トルク発生デューティ比」と呼ぶ）以下のときは０以下である。ただし、第１及び第２ダイオードＤ１及びＤ２の作用によりブレーキトルクＴは実際には負にならない。トルク発生デューティ比を超えると、ブレーキトルクＴは線形に増加する。したがって、制動力を作用させるためには、デューティ比ｐをトルク発生デューティ比よりも大きくする必要がある。トルク発生デューティ比は、式（２）のＴに０を代入して、ｐ＝Ｂ／Ａから求められる。

ここで、デューティ比を下げすぎると、制動力が小さくなりすぎて十分な回生電力が得られず、制御装置１０５を動作できない場合がある。そのため、本実施形態では、デューティ比の下限値は制御装置１０５が動作する電圧よりも大きい回生電圧を発生可能なように定める。これにより、蓄電装置１０２の蓄電量によらずに制御が維持される。

ブレーキ制御部１２３は、走行状態推定部１２１の推定結果に基づいて、第２回生ブレーキの制動力を減少させてもよい。例えば、ブレーキ制御部１２３は、図４（ａ）～（ｄ）に示す高抵抗走行状態、上り坂走行状態、片傾斜走行状態及び極低速走行状態の少なくとも１つに該当する旨の推定結果に応じて、第２回生ブレーキの制動力を減少させることにより、第２回生ブレーキが作動しないようにしてもよい。高抵抗走行状態及び上り坂走行状態で第２回生ブレーキの制動力を減少させることにより、走行性の悪化が抑制される。片傾斜走行状態で第２回生ブレーキの制動力を減少させることにより、下り傾斜方向に向かう蛇行が抑制され、走行の安定性の悪化が抑制される。極低速走行状態で第２回生ブレーキの制動力を減少させることにより、第２回生ブレーキによって得られる回生電力量よりも歩行補助車１００全体の消費電力量が大きくなることが抑制される。

本実施形態によると、回生電力によってブレーキが制御されるため、使用中に歩行補助車１００が適切に動作しなくなることが抑制される。また、例えば歩行補助車１００を外部電源に接続して充電する必要がなくなる。

［変形例］本実施形態では、所定の場合に走行速度が一定となるように第１回生ブレーキを作動するが、これに限定されず、走行速度が一定となるように機械式ブレーキを作動してもよい。

本実施形態では、上記式（１）～（５）に基づいてＰＷＭ制御を行ったが、これに限定されず、現在の走行速度に対するデューティ比の数値テーブルに基づいて、ＰＷＭ制御を行ってもよい。この数値テーブルでは、例えば、図５に示すような制動力を実現するようなデューティ比が各走行速度に対して設定される。

６軸慣性センサなどを用いて測定された地面の傾斜角に基づいて、制動力が調整されてもよい。また、ホール素子を電動発電機１０１に設け、ホール素子を用いて測定された走行速度及び加速度に基づいて、制動力が調整されてもよい。電動発電機１０１で生じた逆起電力を電圧センサ等を用いて測定し、測定された起電力を用いて測定された走行速度及び加速度に基づいて、制動力が調整されてもよい。

＜第２の実施形態＞第２の実施形態の図面及び説明では、第１の実施形態と同一又は同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。第１の実施形態と重複する説明を適宜省略し、第１の実施形態と相違する構成について重点的に説明する。

第１の実施形態では、図６（ａ）に示すように、ブレーキトルクは、デューティ比がトルク発生デューティ比以下の場合にはほぼ０であり、トルク発生デューティ比を超えると急速に増加する。トルク発生デューティ比は走行速度と蓄電装置１０２の電圧とに依存するため、デューティ比の計算は比較的複雑である。また、走行速度と蓄電装置１０２の電圧が少しでも変動すると、トルク発生デューティ比の変動に伴って制動力が変動して走行の滑らかさがいくぶん失われる懸念があった。

本実施形態の電源接続抵抗Ｒ１は、電動発電機１０１の抵抗よりも大きい。例えば、電動発電機１０１の抵抗０．３２［Ω］に対して、電源接続抵抗Ｒ１は１０［Ω］である。その結果、蓄電装置１０２の電圧または走行抵抗の変動によるトルク発生デューティ比の変動が無視できる程度に小さくなる。

図６（ｂ）は、本実施形態のデューティ比とブレーキトルクとの関係を示す。図６（ｂ）に示すように、本実施形態のトルク発生デューティ比は０に近い値となる。また、ブレーキトルクはデューティ比に対して線形に増加する。

トルク発生デューティ比は０に近い値であることから無視できるため、式（２）中のＢ／Ａを０とすると、本実施形態のブレーキ制御部１２３は、以下の式（３）に基づいてデューティ比を設定する。
ｐ＝Ｔ／Ａ 式（３）

図７を用いて、電源接続抵抗Ｒ１及び電動発電機１０１の抵抗に基づく、走行速度の変動により回生電力が変動した際の電動発電機１０１に流れる電流の増加量について説明する。この増加量が小さいほど、走行速度の変動に対する制動力のロバスト性は高い。図７中、横軸は電動発電機１０１の抵抗に対する電源接続抵抗Ｒ１の比率（抵抗比率）を示し、縦軸は回生電圧の増加量に対する電動発電機１０１に流れる電流の増加量の比率（増加比率）を示す。なお、図７では、回生電圧が２．５［Ｖ］、蓄電装置１０２の電圧が５［Ｖ］、第１ダイオードＤ１による端子間電圧（電圧降下）が０．６［Ｖ］、電動発電機１０１の抵抗が０．３２［Ω］の状態で、電動発電機１０１に０．１［Ａ］の電流が流れるようにデューティ比ｐを調整している。

第１の実施形態では、電源接続抵抗Ｒ１＝０．１［Ω］、（電動発電機１０１の抵抗）＝０．３２［Ω］であるため、抵抗比率は０．３１２５である。そのため、図７に示すように、第１の実施形態の増加比率は３～３．５程度である。一方で、本実施形態の抵抗比率は約３１．２５である。そのため、図７に示すように、本実施形態の増加比率は０．１～０．３程度である。したがって、本実施形態は、第１の実施形態よりも走行速度の変動に対する制動力のロバスト性が高い。

本実施形態によると、トルク発生デューティ比の変動に対して制動力が影響を受けにくくなるとともに、比較的小さい計算負荷でデューティ比を算出可能である。その結果、制動力の変動が抑制される。そのため、走行の円滑さがさらに増す。

＜第３の実施形態＞第３の実施形態の図面及び説明では、第１の実施形態と同一又は同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。第１の実施形態と重複する説明を適宜省略し、第１の実施形態と相違する構成について重点的に説明する。なお、以下の図８では、簡略化のためセンサ部１０４を省略している。後述する図１０～１３でも同様にセンサ部１０４を省略している。

図８に示すように、本実施形態の蓄電装置１０２は、第１蓄電部１０２ａと、第１蓄電部１０２ａよりも容量が大きい第２蓄電部１０２ｂを含む。第１蓄電部１０２ａ及び第２蓄電部１０２ｂは、並列に接続される。第１蓄電部１０２ａには第１電源接続抵抗Ｒ１ａが接続され、第２蓄電部１０２ｂには第２電源接続抵抗Ｒ１ｂが接続される。第２電源接続抵抗Ｒ１ｂは第１電源接続抵抗Ｒ１ａよりも大きい。本実施形態の第１蓄電部１０２ａ及び第２蓄電部１０２ｂは、コンデンサである。

図９（ａ）に示すように、第１蓄電部１０２ａの容量は比較的小さいため、回生電力が供給されると第１蓄電部１０２ａの電圧が制御装置１０５の動作電圧まで素早く高くなるが、蓄電量は少ない。また、走行速度が変動したときにブレーキトルクが変動しやすい。

一方、図９（ｂ）に示すように、第２蓄電部１０２ｂの容量は比較的大きいため、蓄電量は多いが、回生電力が供給されても、第２蓄電部１０２ｂの電圧が制御装置１０５の動作電圧まで高くなって制御装置１０５が動作し出すまで時間がかかる。

本実施形態では、容量が異なる第１蓄電部１０２ａ及び第２蓄電部１０２ｂが並列に接続される。図９（ｃ）に示すように、回生電力が供給されると、第１蓄電部１０２ａ及び第２蓄電部１０２ｂの両方が蓄電されるが、容量が比較的小さい第１蓄電部１０２ａの電圧が先に制御装置１０５の動作電圧に達する。その結果、制御装置１０５の動作電圧が早期に得られる。加えて、第１蓄電部１０２ａの電圧が制御装置１０５の動作電圧に達した後も、容量が比較的大きい第２蓄電部１０２ｂが蓄電されるため、十分な蓄電量が得られる。

なお、当然ながら蓄電装置１０２は並列に接続され容量がそれぞれ異なる３つ以上の蓄電部を含んでもよい。また、図１０に示すように第１蓄電部１０２ａと第１電源接続抵抗Ｒ１ａとの間の端子と、第２蓄電部１０２ｂと第２電源接続抵抗Ｒ１ｂとの間の端子の間に、ダイオードＤ’を配置してもよい。

＜第４の実施形態＞第４の実施形態の図面及び説明では、第３の実施形態と同一又は同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。第３の実施形態と重複する説明を適宜省略し、第３の実施形態と相違する構成について重点的に説明する。

図１１に示すように、本実施形態の歩行補助車１００は、第１蓄電部１０２ａ及び第２蓄電部１０２ｂの各々に接続された第３及び第４ダイオードＤ３及びＤ４を含む。本実施形態では、第１及び第３ダイオードＤ１及びＤ３が直列接続されるとともに、第２及び第４ダイオードＤ２及びＤ４が直列接続される。第１～第４ダイオードＤ１～Ｄ４は、電動発電機１０１の第１端子１０１Ａから第２端子１０１Ｂへの方向に電流を流す。

回生による起電力がなくなると、蓄電装置１０２では、第１蓄電部１０２ａから第２蓄電部１０２ｂに電流が逆流し、図９（ｄ）に示すように第１蓄電部１０２ａと第２蓄電部１０２ｂとの間で蓄電量が平滑化される場合がある。この場合、蓄電装置１０２の電圧が制御装置１０５の動作電圧に達するまでに時間がかかる。

本構成によると、第１及び第３ダイオードＤ１及びＤ３が直列接続されるため、第１蓄電部１０２ａから第２蓄電部１０２ｂへの電流の逆流が抑制される。その結果、図９（ｅ）に示すように、第１蓄電部１０２ａと第２蓄電部１０２ｂとの間での蓄電量の平滑化が抑制される。

＜第５の実施形態＞第５の実施形態の図面及び説明では、第４の実施形態と同一又は同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。第４の実施形態と重複する説明を適宜省略し、第４の実施形態と相違する構成について重点的に説明する。

図１２に示すように、本実施形態では、第１及び第３ダイオードＤ１及びＤ３が並列接続される。また、第１及び第３ダイオードＤ１及びＤ３のカソード側の端子間には、蓄電制御用ＳＷ素子１３０が電気的に接続される。蓄電制御用ＳＷ素子１３０としては、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が用いられる。

第１及び第３ダイオードＤ１及びＤ３が直列接続される場合、第１及び第３ダイオードＤ１及びＤ３による電圧降下が大きくなる。

これに対して、本実施形態によると、第１及び第３ダイオードＤ１及びＤ３による電圧降下が抑制される。

蓄電制御用ＳＷ素子１３０の制御について説明する。制御装置１０５が立ち上がっていないとき、蓄電制御用ＳＷ素子１３０はオフ状態である。オフ状態では、第１ダイオードＤ１、第１電源接続抵抗Ｒ１ａ及び第１蓄電部１０２ａと、第２ダイオードＤ２、第２電源接続抵抗Ｒ１ｂ及び第２蓄電部１０２ｂとが並列接続される。歩行補助車１００が走行して回生電力が生じると、電動発電機１０１から第１ダイオードＤ１を介して第１蓄電部１０２ａに、電動発電機１０１から第３ダイオードＤ３を介して第２蓄電部１０２ｂに、それぞれ独立に電流が流れる。その後、第１蓄電部１０２ａの電圧が先に制御装置１０５の動作電圧に達し、制御装置１０５が動作する。一方、第１及び第３ダイオードＤ１及びＤ３により、第１蓄電部１０２ａから第２蓄電部１０２ｂへの電流の逆流が抑制される。

しかし、蓄電制御用ＳＷ素子１３０がオフ状態では、第１蓄電部１０２ａが制御装置１０５に電圧を供給する一方、第３ダイオードＤ３の作用により第２蓄電部１０２ｂは制御装置１０５に電圧を供給できない。よって、オフ状態では、蓄電装置１０２の蓄電量は容量が比較的小さい第１蓄電部１０２ａの蓄電量に実質的に等しく、少量の蓄電量しか得られない。

これを回避するために、制御装置１０５は、その動作後に蓄電制御用ＳＷ素子１３０をオンに切り替える。これにより、第１及び第２ダイオードＤ１及びＤ２は並列接続されず、第１電源接続抵抗Ｒ１ｂ及び第１蓄電部１０２ａと、第２電源接続抵抗Ｒ１ｂ及び第２蓄電部１０２ｂとが並列接続される。その結果、第１蓄電部１０２ａ及び第２蓄電部１０２ｂの合成電圧が制御装置１０５に供給される。したがって、オン状態では、蓄電装置の蓄電量は第１蓄電部１０２ａ及び第２蓄電部１０２ｂの蓄電量の和となるため、大きな蓄電量が得られる。

＜第６の実施形態＞第６の実施形態の図面及び説明では、第１の実施形態と同一又は同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。第１の実施形態と重複する説明を適宜省略し、第１の実施形態と相違する構成について重点的に説明する。

図１３に示すように、本実施形態の歩行補助車１００は、蓄電装置１０２に並列接続されたツェナーダイオードＺｄを含む。本構成によると、蓄電装置１０２の蓄電量が十分に増大して蓄電装置１０２を通して電流が流れにくくなったときに、電流がツェナーダイオードＺｄを介してバイパスされる。そのため、電動発電機１０１に電流が流れなくなることが抑制されるため、制動力の喪失が抑制され、また、蓄電装置１０２が耐圧を超えて壊れることを防ぐことができる。

本発明は、電動歩行補助車に関する。

本体フレーム…１１、前輪…１２、後輪…１３、支持パッド…１４、ハンドルバー…１５、ブレーキレバー…１６、支持フレーム…２１、グリップ部…２３、ハンドル…２４、ブレーキシュー…２５、アーム部材…２６、収容部…２７、レバー…２８、シート部…３７、下段フレーム…５１、上段フレーム…５４、リンク機構…５５、軸…５６、後輪フレーム…５７、ブレーキユニット…６１、歩行補助車…１００、電動発電機…１０１、第１端子…１０１Ａ、第２端子…１０１Ｂ、蓄電装置…１０２、第１蓄電部…１０２ａ、第２蓄電部…１０２ｂ、ＰＷＭ制御用ＳＷ素子…１０３、センサ部…１０４、制御装置…１０５、電源接続抵抗…Ｒ１、角速度センサ…１１１、加速度センサ…１１３、速度センサ…１１５、角度センサ…１１７、走行状態推定部…１２１、ブレーキ制御部…１２３、蓄電制御用ＳＷ素子…１３０。

Claims (14)

1. 車体に設けられた車輪と、
   前記車輪の回転に応じて回生電力を発生する発電機構と、
   前記発電機構が発生させた回生電力によって前記車輪に制動力を付与するブレーキを制御する制御装置と、
   を含み、
   前記制御装置は、前記車体の走行速度が所定の上限速度よりも大きい場合、前記走行速度を抑制して所定の走行速度にするよう第１回生ブレーキを作動させ、前記走行速度が前記所定の上限速度以下の場合、前記第１回生ブレーキよりも制動力が小さい第２回生ブレーキを作動させ、
   前記制御装置は前記発電機構による回生ブレーキを常時作動する電動歩行補助車。
2. 前記回生電力は使用者が本電動歩行補助車を能動的に動かしているときに発生するものである請求項１に記載の電動歩行補助車。
3. 前記制御装置は本電動歩行補助車の走行状態を推定する走行状態推定部を含み、前記制御装置は前記走行状態推定部の推定結果に基づいて前記発電機構による回生ブレーキを作動する請求項１又は２に記載の電動歩行補助車。
4. 前記制御装置は、高抵抗走行状態、上り坂走行状態、片傾斜走行状態及び極低速走行状態の少なくとも１つに該当する旨の前記走行状態推定部の推定結果に応じて、前記回生ブレーキの制動力を減少させる請求項３に記載の電動歩行補助車。
5. 前記回生電力を蓄電する蓄電装置を含む請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電動歩行補助車。
6. ＰＷＭ制御により前記発電機構に供給する電圧を調整可能なスイッチング素子と、
   前記発電機構と前記蓄電装置との間に電気的に直列接続され且つ前記発電機構の抵抗よりも大きい電源接続抵抗と、を含み、
   前記制御装置は、前記電動歩行補助車の走行速度に基づいて、前記ＰＷＭ制御のデューティ比を設定する請求項５に記載の電動歩行補助車。
7. 前記蓄電装置に並列接続されたツェナーダイオードを含む請求項６に記載の電動歩行補助車。
8. ＰＷＭ制御により前記発電機構に供給される電圧を調整可能なスイッチング素子部を含み、
   前記制御装置は、前記電動歩行補助車の走行速度と前記蓄電装置の電圧とに基づいて前記ＰＷＭ制御のデューティ比を設定する請求項５に記載の電動歩行補助車。
9. 前記制御装置は前記走行速度が所定の速度範囲内のときに前記蓄電装置の電圧の減少量が第１閾値よりも大きくなった場合に前記デューティ比を小さくする請求項８に記載の電動歩行補助車。
10. 前記デューティ比の下限値は前記制御装置が動作する電圧よりも大きい回生電圧を前記発電機構において発生可能なように定められる請求項８又は９に記載の電動歩行補助車。
11. 前記制御装置は前記走行速度が所定の速度範囲内のときに前記蓄電装置の電圧の増加量が第２閾値よりも大きくなった場合に前記デューティ比を大きくする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の電動歩行補助車。
12. 前記蓄電装置は並列接続された容量の異なる複数の蓄電部を含む請求項５に記載の電動歩行補助車。
13. 前記蓄電部からの電流の逆流を抑制するように前記複数の蓄電部の各々に接続された複数のダイオードを含む請求項１２に記載の電動歩行補助車。
14. 前記複数のダイオードは並列接続される請求項１３に記載の電動歩行補助車。

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