JPWO2012114597A1 - 歩行補助車 - Google Patents

Abstract

底面積が小さく、被歩行補助者である老人、身障者等の歩行を補助し、転倒を防止することができる歩行補助車を提供する。本発明に係る歩行補助車は、一対の車輪と、該一対の車輪を駆動する一又は複数の第１駆動部と、一対の車輪を回転することが可能に支持する本体部と、本体部の一端に把持することが可能に設けられている把持部とを備える。本体部のピッチ方向の傾斜角の角度変化を検出するセンサ部と、センサ部からの出力に基づいて、本体部の角度変化が０（ゼロ）となるよう一又は複数の第１駆動部の動作を制御する第１制御部とを備える。

Description

本発明は、ピッチ方向への転倒を防止することができる歩行補助車に関する。

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、老人、身障者等が歩行中に転倒することを回避するよう、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ることにより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ことが好ましい。例えば特許文献１では、被歩行補助者の移動状態を、センサで検出した外力に基づいて推定し、被歩行補助者の移動状態に基づいて適切に自走させる歩行補助装置が開示されている。

特許第２８９８９６９号公報

特許文献１に開示してある歩行補助装置は、外力を検出するセンサを設ける必要がある。したがって、被歩行補助者は、歩行補助車を自走させるために常に意識して一定の外力を加える必要がある。しかも、センサを設置してある場所に外力を加える必要があるので、被歩行補助者である老人、身障者等にとっては扱いにくいという問題点があった。

また、被歩行補助者である老人、身障者等は健常者よりも転倒しやすい。従来の歩行補助車では、前輪又は後輪の浮きを防止するべく、本体部の重量を一定以上に重くする、車輪間に一定以上の距離を確保する等で対応している。したがって、従来の歩行補助車は、一定以上の底面積を有しており、底面積の大きさによっては鉄道等の公共交通機関への持ち込みが制限されるおそれがあるという問題点もあった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、底面積が小さく、被歩行補助者である老人、身障者等の歩行を補助し、転倒を防止することができる歩行補助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歩行補助車は、一対の車輪と、該一対の車輪を駆動する一又は複数の第１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、該本体部の一端に把持することが可能に設けられている把持部とを備える歩行補助車において、前記本体部のピッチ方向の傾斜角の角度変化を検出するセンサ部と、該センサ部の出力に基づいて、前記本体部の角度変化が０（ゼロ）となるよう前記一又は複数の第１駆動部の動作を制御する第１制御部とを備えることを特徴とする。

上記構成では、本体部のピッチ方向の傾斜角の角度変化を検出するセンサ部の出力に基づいて、本体部の角度変化が０（ゼロ）となるよう一又は複数の第１駆動部の動作を制御する。これにより、本体部のピッチ方向の傾斜角を、本体部が倒れこまないよう均衡を保持することが可能な平衡角度に収束するよう制御することができ、被歩行補助者である老人、身障者等が特に意識して外力を加えることなく、安定して歩行を補助することが可能となる。

また、本発明に係る歩行補助車は、前記センサ部が、角速度センサ、傾斜センサ、角加速度センサのうち少なくとも１つを含むことが好ましい。

上記構成では、センサ部は、角速度センサ、傾斜センサ、角加速度センサのうち少なくとも１つを含むので、本体部のピッチ方向の傾斜角の角度変化を確実に検出することが可能となる。

また、本発明に係る歩行補助車は、前記本体部が、ピッチ方向に回転することが可能に一端を連結してある支持部を有し、該支持部は、他端に回転することが可能な一又は一対の補助輪を備えることが好ましい。

上記構成では、本体部は、ピッチ方向に回転することが可能に一端を連結してある支持部を有しており、支持部の他端には、回転することが可能な一又は一対の補助輪を備えている。これにより、被歩行補助者である老人、身障者等が把持部に体重をかけてもたれた場合であっても、補助輪により本体部が傾斜することを抑制することができ、より安全に歩行を補助することが可能となる。

また、本発明に係る歩行補助車は、前記把持部が、前記本体部のヨー方向に回転することが可能に設けられていることが好ましい。

上記構成では、把持部は、本体部のヨー方向に回転することができるので、被歩行補助者である老人、身障者等から見て、補助輪を本体部の車輪と被歩行補助者との間に位置させるか、本体部の車輪を補助輪と被歩行補助者との間に位置させるか、を選択することが可能となる。

また、本発明に係る歩行補助車は、前記支持部の連結部もしくは前記一又は一対の補助輪を回転させる第２駆動部と、該第２駆動部を制御する第２制御部とを備え、該第２制御部は、前記支持部と前記本体部との間でなす角度として目標角度の指定を受け付け、前記センサ部の出力に基づいて、前記支持部と前記本体部との間でなす角度が前記目標角度となるよう前記第２駆動部の動作を制御することが好ましい。

上記構成では、支持部と本体部との間でなす角度として目標角度の指定を受け付け、センサ部の出力に基づいて、支持部と本体部との間でなす角度が目標角度となるよう第２駆動部の動作を制御する。これにより、一又は一対の補助輪を備える支持部と本体部との間でなす角度が目標角度となるよう制御することができ、本体部の転倒を未然に防止することが可能となる。

また、本発明に係る歩行補助車は、前記第２駆動部が前記支持部の前記連結部に設けてあり、前記第２制御部は、前記センサ部の出力変化が所定の閾値を超えたか否かを判断し、前記センサ部の出力変化が所定の閾値を超えたと判断した場合、前記支持部と前記本体部との間でなす角度の変化を抑制するよう遅れ制御することが好ましい。

上記構成では、センサ部の出力変化が所定の閾値を超えたか否かを判断し、センサ部の出力変化が所定の閾値を超えたと判断した場合、支持部と本体部との間でなす角度の変化を抑制するよう遅れ制御する。これにより、急に大きな外力が付加されて被歩行補助者が転倒しかけた場合であっても、本体部の挙動を大きく変化させることがなく、被歩行補助者である老人、身障者等の転倒するおそれを低減することが可能となる。

また、本発明に係る歩行補助車は、前記第２駆動部が前記支持部の前記連結部に設けてあり、前記第２制御部は、前記センサ部の出力変化又は前記第２駆動部のエンコーダ出力変化が所定の閾値を超えたか否かを判断し、前記センサ部の出力変化又は前記第２駆動部のエンコーダ出力変化が所定の閾値を超えていないと判断した場合、前記第２駆動部の制御を行わないことが好ましい。

上記構成では、センサ部の出力変化又は第２駆動部のエンコーダ出力変化が所定の閾値を超えたか否かを判断し、センサ部の出力変化又は第２駆動部のエンコーダ出力変化が所定の閾値を超えていないと判断した場合、第２駆動部の制御を行わない。これにより、補助輪がブレーキとして作用し、杖のように被歩行補助者を支持することが可能となる。

また、本発明に係る歩行補助車は、前記支持部の回転を拘束する拘束機構と、使用者から前記把持部への入力の有無を検出する検出手段とを有し、該検出手段が、前記把持部への入力がないと検出した場合に、前記拘束機構により前記支持部の回転を停止させることが好ましい。

上記構成では、支持部の回転を拘束する拘束機構と、使用者から把持部への入力の有無を検出する検出手段とを有する。把持部への入力がないと検出した場合に、拘束機構により支持部の回転を停止させることにより、使用者が把持部を触っていないことを検出した場合には、支持部を回転させることなく歩行補助車の姿勢を支持部により維持することができ、電力消費を抑制することができる。

また、本発明に係る歩行補助車は、前記検出手段が、前記センサ部の出力変化が一定時間以上ないと判断した場合、前記把持部への入力がないと検出することが好ましい。

上記構成では、センサ部の出力変化が一定時間以上ないと判断した場合、把持部への入力がないと検出することにより、支持部を回転させることなく歩行補助車の姿勢を支持部により維持することができ、電力消費を抑制することができる。

また、本発明に係る歩行補助車は、前記検出手段が、前記把持部に設けられている接触センサであることが好ましい。

上記構成では、把持部に設けられている接触センサを検出手段として用いることにより、使用者が把持部に触れたかどうかを検出することができる。

また、本発明に係る歩行補助車は、前記拘束機構により前記支持部の回転を停止させる際に、前記第１制御部が前記第１駆動部の制御を行わないことが好ましい。

上記構成では、拘束機構により支持部の回転を停止させる際に、第１駆動部の制御を行わないことにより、歩行補助車の姿勢を支持部により維持するのみで、第１駆動部の制御に要する電力消費を抑制することができる。

また、本発明に係る歩行補助車は、前記拘束機構により前記支持部の回転を停止させる際に、前記一対の車輪のうち少なくとも一方の車輪の回転を停止させる他の拘束機構をさらに有することが好ましい。

上記構成では、拘束機構により支持部の回転を停止させる際に、一対の車輪のうち少なくとも一方の車輪の回転を停止させる他の拘束機構をさらに有することにより、車輪を強制的にロックさせることで支持部により本体部の姿勢を容易に維持することができる。

上記構成によれば、本体部のピッチ方向の傾斜角の角度変化を検出するセンサ部の出力に基づいて、本体部の角度変化が０（ゼロ）となるよう一又は複数の第１駆動部の動作を制御する。これにより、本体部のピッチ方向の傾斜角を、本体部が倒れこまないよう均衡を保持することが可能な平衡角度に収束するよう制御することができ、被歩行補助者である老人、身障者等が特に意識して外力を加えることなく、安定して歩行を補助することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る歩行補助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。 歩行補助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。 歩行補助車のモデルを側面から見た模式図である。 本発明の実施の形態に係る歩行補助車の制御基板のコントローラによる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。 本発明の実施の形態に係る歩行補助車の補助輪を支持する支持部の動作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歩行補助車の電動モータによる補助輪の動作制御を説明する模式図である。 補助輪が本体部の一対の車輪と被歩行補助者との間に位置する場合を示す模式図である。 本体部の一対の車輪が、補助輪と被歩行補助者との間に位置する場合を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る歩行補助車の把持部の本体部への取付方法を説明するための模式図である。 歩行補助車の制御基板のコントローラによる、補助輪を支持する支持部のピッチ方向の角度制御処理の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歩行補助車について、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歩行補助車の構成を示す斜視図である。本実施の形態に係る歩行補助車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。

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、歩行補助車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に示すように、本体部３には、ピッチ方向の傾斜角度の角速度であるピッチ角速度を検出するピッチ用ジャイロセンサ（センサ部）５、一対の車輪２の回転と連動し、一対の車輪２を回転させるピッチ用モータ（第１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（ピッチ用回転センサ）６１を備える。ピッチ用ジャイロセンサ５は、ピッチ角速度を検出する図示しない検出軸を略左右方向に向けて本体部３に取り付けられている。ここで、略左右方向とは、厳密な左右方向に対して上下に若干の角度ずれがあってもよいことを意味する。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。また、ピッチ用ジャイロセンサ５は、ピッチ角速度を検出することができれば良く、ジャイロセンサに限定されるものではない。

また、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（第１制御部）３２及び電池３３が装備されている。制御基板３２には、ピッチ用モータ６を回転駆動するドライバ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、カウンタ、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。歩行補助車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している。図３は、歩行補助車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、ピッチ用カウンタ部４１では、ピッチ用エンコーダ６１の出力パルス信号のパルス数が計数される。前進／後退指示受付部４２では、一対の車輪２の前進指示又は後退指示を回転速度又は回転角度のパルス信号として受け付ける。前進指示又は後退指示を回転角度のパルス信号として受け付けた場合、ピッチ用回転速度計算部４３では、前進指示又は後退指示のパルス信号のパルス数からピッチ用カウンタ部４１で計数されたパルス数を減算し、減算して得たパルス数を回転角度（偏差）に変換した後、微分してピッチ用モータ６の回転速度を求める。ノイズ除去のためのＬＰＦ（ローパスフィルタ）を装備しても良い。

目標ピッチ角計算部４４では、ピッチ用回転速度計算部４３で求めたピッチ用モータ６の回転速度から、ピッチ用モータ６が、一対の車輪２が前進する方向に回転する場合には、一対の車輪２は前進する方向に、ピッチ用モータ６が、一対の車輪２が後退する方向に回転する場合には、一対の車輪２は後退する方向になるように、ピッチ用モータ６の回転速度に比例係数を乗算して目標ピッチ角θ_rpを求める。これにより、指示された移動のための回転速度を確保しつつ、ピッチ方向の傾斜を補正することができる。

一方、ピッチ用ＡＤコンバータ部４５では、ピッチ用ジャイロセンサ５のピッチ角速度出力をＡＤ変換して取得する。ピッチ角速度計算部４６では、取得したピッチ角速度出力に変換係数を乗算して、ピッチ角速度ω_1pを算出する。

ピッチ傾斜角推定部４７では、ピッチ角速度ω_1pと、後述のピッチ用トルク指令τ_2pとから、本体部３と一対の車輪２とを含んだ系の傾斜角方向（ピッチ方向）の運動方程式から後述の（式１８）を導出して算出することにより、ピッチ傾斜角を推定する。さらに適切な推定速度を持たせてループを安定化させるための一次遅れ要素を直列に加えることで、ピッチ傾斜角の推定値を算出している。具体的には、（式１８）で推定したピッチ傾斜角に、一次遅れ要素として例えば１／（０．１Ｓ＋１）を直列に加えることになるが、これに限られるものではなく、適切な推定速度となるような任意の一次遅れ要素を加えることができる。

ピッチ方向外部トルク推定部５２では、ピッチ傾斜角の推定値に変換係数を乗算して、本体部３に働いているピッチ方向外部トルクの推定値を算出し、算出したピッチ方向外部トルクの推定値に相当するピッチ用補正トルクτ_3pを生成する。

目標ピッチ角速度計算部４８では、目標ピッチ角θ_rpからピッチ傾斜角の推定値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、目標ピッチ角速度ω_2pとピッチ角速度ω_1pとの偏差に対して、例えばＰＩ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にピッチ用補正トルクτ_3pを加えたピッチ用トルク指令τ_2p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ＤＡコンバータ部５１では、ドライバに指令電圧を出力し、ピッチ用モータ６の動作を制御する。

ここで、ピッチ傾斜角を推定する計算式（式１８）の導出方法について、以下に説明する。図４は、歩行補助車１のモデルを側面から見た模式図である。図４では、一対の車輪２、本体部３及び本体部３に取り付けられたピッチ用ジャイロセンサ５のみを模式的に示し、図４上で左向きの矢印方向が前進方向であり、本体部３が前傾した状態を示している。まずラグランジュ方程式により、運動方程式を導出する。本体部３と一対の車輪２とを合わせた、全体の運動エネルギーＴ及び位置エネルギーＵは以下のようになる。

一般化座標と一般化速度による微分量は、以下のようになる。

ラグランジュ方程式（式９）、（式１０）に（式３）〜（式８）を代入する。

この結果、運動方程式として、次の（式１１）、（式１２）を得る。

（式１２）を変形すると、（式１３）となる。

（式１３）を（式１１）に代入してｓｉｎθ_1pをθ_1pで近似すると、（式１４）を得る。（式１４）より、本体部３の運動は、一対の車輪２の回転角度及び角速度には無関係となる。

−ピッチ傾斜角の推定−
ピッチ傾斜角は、ピッチ用ジャイロセンサ５の出力を積分して求めることも可能であるが、特にそれに限定されるものではない。例えば図４に示すモデルの運動方程式を用いて、ピッチ角速度ω_1pとピッチ用トルク指令τ_2pとから、ピッチ傾斜角を推定する。運動方程式（式１４）を変形すると、（式１５）となる。

一方、ピッチ角速度ω_1pは、（式１６）で表わされる。

また、外力によって本体部３が傾斜している方向（ピッチ方向）にトルクτ_1pが発生した場合、見かけの釣合い傾斜角θ_0pは（式１７）となる。

従って、見かけの釣合い傾斜角θ_0pと、現在のピッチ方向の傾斜角θ_1pとの偏差角（ピッチ傾斜角）は、上記（式１５）、（式１６）、（式１７）より、（式１８）を導出して算出することによって推定することができる。ただし、適切な推定速度を持たせてループを安定化させるために、一次遅れ要素を直列に加えておくのが良い。なお、（式１８）はピッチ傾斜角を推定する計算式の一例であり、対象モデルによってピッチ傾斜角を推定する計算式は異なる場合がある。

ピッチ角速度ω_1pと、目標ピッチ角θ_rpに基づいて生成されるピッチ用トルク指令τ_2pとから、釣合い状態から本体部３がピッチ方向へ傾斜している角度であるピッチ傾斜角を推定することにより、ピッチ傾斜角を精度良く推定することができる。また、ピッチ用ジャイロセンサ５によるピッチ角速度出力を積分することがないので、ノイズ、オフセット等の累積による目標ピッチ角の計算誤差が生じることがなく、一対の車輪２の回転に伴う反動トルクを利用し、釣合い状態からピッチ方向への傾斜を精度良く補正して、ピッチ方向への転倒を防止することができる。

−ピッチ方向外部トルクフィードフォワード−
(式１８)を用いて推定された偏差角（ピッチ傾斜角推定値）によって、ピッチ方向外部トルクを補償する。ピッチ方向外部トルク推定値は、(式１８)を用いて推定された偏差角（ピッチ傾斜角推定値）を用いて（式１９）により表すことができる。

車輪に働くトルクτ_2pからピッチ方向外部トルク推定値を減じたトルクをピッチ方向内部トルクとすると、（式２０）で表わされる。

（式１４）、（式１８）、（式１９）、及び（式２０）を用いることで、運動方程式（式１４）を（式２１）へと変形することができるので、ピッチ方向外部トルクを補償することができる。釣合い状態から本体部３がピッチ方向へ傾斜している角度であるピッチ傾斜角を推定した（式１８）によって、釣合い状態からピッチ方向への傾斜によって生じるピッチ方向外部トルクを推定することができるので、推定したピッチ方向外部トルクに相当するピッチ用補正トルクを算出することができる。したがって、ピッチ方向外部トルクによる影響を加味してピッチ用モータ６の回転をより適正に制御することができるので、釣合い状態からピッチ方向への傾斜をより精度良く補正してピッチ方向への転倒を防止することができる。特に、傾斜角ループ、傾斜角速度ループの応答周波数が低い場合でも、ピッチ方向外部トルクをフィードフォワード制御で補償することにより、ピッチ方向の転倒防止制御を継続することができるため、安定した制御が可能となる。

補正されたピッチ用トルク指令は、ピッチ用ＤＡコンバータ部５１を介してドライバへ出力され、ピッチ用モータ６の回転が制御される。ピッチ用モータ６の回転は、一対の車輪２へ伝わる。

次に、上述した図３に示す制御ブロックで構成される歩行補助車１の動作制御について、フロ−チャートに基づいて説明する。図５は、本発明の実施の形態に係る歩行補助車１の制御基板３２のコントローラによる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５に示すように制御基板３２のコントローラは、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の出力（パルス信号）のパルス数を計数する（ステップＳ５０１）。コントローラは、一対の車輪２の前進（又は後退）指示を回転速度のパルス信号として受け付ける（ステップＳ５０２）。

コントローラは、前進（又は後退）指示のパルス信号のパルス数から、ピッチ用エンコーダ６１の出力（パルス信号）のパルス数を減算して得たパルス数に基づいて、ピッチ方向の回転速度偏差を算出する（ステップＳ５０３）。具体的には、減算して得たパルス数を回転角度に変換した後、微分して回転速度偏差を求める。コントローラは、ピッチ方向の回転速度偏差に基づいて目標とするピッチ方向の傾斜角度である目標ピッチ角を算出する（ステップＳ５０４）。

コントローラは、算出した目標ピッチ角から後述するステップＳ５１２で推定したピッチ傾斜角の推定値を減じてピッチ角度偏差を算出し（ステップＳ５０５）、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Ｓ５０６）。

コントローラは、算出した目標ピッチ角速度ω_2pと、後述するステップＳ５１１で算出したピッチ角速度ω_1pとのピッチ角速度偏差を算出し（ステップＳ５０７）、算出したピッチ角速度偏差に対してＰＩ制御等によりピッチ用トルク指令τ_0pを生成する（ステップＳ５０８）。

コントローラは、生成したピッチ用トルク指令τ_0pを後述するステップＳ５１３で推定したピッチ方向外部トルクτ_3pで補正し、ピッチ用トルク指令τ_2pを生成する（ステップＳ５０９）。

コントローラは、ピッチ用ジャイロセンサ５で出力されたピッチ角速度の出力をＡ／Ｄ変換して取得する（ステップＳ５１０）。コントローラは、取得したピッチ角速度の出力に変換係数を乗算してピッチ角速度ω_1pを算出する（ステップＳ５１１）。

コントローラは、（式１８）を用いて、算出したピッチ角速度ω_1pと、上述したステップＳ５０９で生成したピッチ用トルク指令τ_2pとから、釣合い状態から本体部３がピッチ方向へ傾斜している角度であるピッチ傾斜角を推定する（ステップＳ５１２）。コントローラは、推定したピッチ傾斜角に基づいて、釣合い状態からピッチ方向への傾斜によって生じるピッチ方向外部トルクを推定する（ステップＳ５１３）。

コントローラは、ステップＳ５０９でピッチ用トルク指令τ_2pを生成したか否かを判断する（ステップＳ５１４）。

コントローラが、ピッチ用トルク指令τ_2pを生成したと判断した場合（ステップＳ５１４：ＹＥＳ）、コントローラは、生成したピッチ用トルク指令τ_2pに変換係数を乗算して指令電圧を算出する（ステップＳ５１５）。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を回転駆動するドライバに出力する（ステップＳ５１６）。コントローラは、処理をステップＳ５０１及びステップＳ５１０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_2pを生成していないと判断した場合（ステップＳ５１４：ＮＯ）、本体部３は釣合い状態で前進／後退指示もない状態にあり、コントローラは、処理を終了する。上述した例は、前進指示又は後退指示を回転角度のパルス信号として受け付けた場合の処理手順を示しているが、前進指示又は後退指示として回転速度のパルス信号を受け付けた場合であっても、ピッチ角速度の偏差を求めることにより同様の処理手順でピッチ方向の傾斜角度の制御が可能となる。

図１に戻って、本実施の形態に係る歩行補助車１は、被歩行補助者である老人、身障者等の歩行中の安定感を高めるために、補助輪８を備えていることが好ましい。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であっても良いし、ロール方向の安定度を高めるために一対の補助輪８であっても良い。

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。

また、支持部７の連結部又は補助輪８を回転させる電動モータ（第２駆動部）９を、支持部７の連結部に設けても良い。この場合、制御基板３２が第２制御部として機能する。例えばコントローラは、支持部７と本体部３との間でなす角度として目標角度θref の指定を事前に受け付けておき、支持部７と本体部３との間でなす角度θが目標角度θrefとなるよう電動モータ９の動作を制御する。支持部７と本体部３との間でなす角度θは、電動モータ９に内蔵された支持部角度エンコーダ９１で出力されるパルス信号から算出する。

図６は、本発明の実施の形態に係る歩行補助車１の補助輪８を支持する支持部７の動作制御の一例を示す制御ブロック図である。図６に示すように、補助輪目標角度受付部６０１では、補助輪８を支持する支持部７と本体部３との間でなす角度θの目標角度θref の指定を受け付ける。

また、ピッチ傾斜角推定部６０２は、ピッチ用ジャイロセンサ５で出力されたピッチ角速度 dφ／ dｔを積分することにより、ピッチ傾斜角φを推定する。そして、目標角度変化推定部６０３は、推定したピッチ傾斜角φに基づいて、補助輪８を支持する支持部７の目標角度変化 dθを推定する。具体的には、（式２２）を用いて、目標角度θref の角度変化 dθを算出する。

（式２２）において、φ₀ はピッチ傾斜角の釣合い角度を、φはピッチ傾斜角推定部６０２で推定したピッチ傾斜角を、それぞれ示す。また、θref は、補助輪目標角度受付部６０１で指定を受け付けた支持部７の目標角度である。

支持部７と本体部３との間でなす角度θは、目標角度θref と目標角度変化 dθとの和として算出され、トルク指令生成部６０４は、支持部角度エンコーダ９１の出力（パルス信号）から算出された角度θと、算出した目標角度（θref ＋ dθ）との偏差に対して、例えばＰＩＤ制御によりトルク指令τを生成する。生成したトルク指令τに対して、変換係数を乗算して、指令電圧を算出し、ＤＡコンバータ等でドライバに指令電圧を出力し、電動モータ９の動作を制御する。

図７は、本発明の実施の形態に係る歩行補助車１の電動モータ９による補助輪８の動作制御を説明する模式図である。図７（ａ）は、歩行補助車１に外力が付加されていない（静止している）場合の状態を示しており、図７（ｂ）は、外力が付加された場合の状態を示している。

図７（ａ）に示すように、外力が付加されていない場合には、図５に示す処理によって本体部３のピッチ傾斜角φが釣合い角度φ₀ で収束するようピッチ用モータ６の動作が制御される。本体部３が釣合い角度φ₀ よりも大きく傾斜した場合、ピッチ用モータ６の動作により本体部３はピッチ傾斜角φを釣合い角度φ₀ へと戻すので、本体部３は釣合い角度φ₀を中心として揺動を繰り返す。さらに、補助輪８を支持する支持部７の角度θが目標角度θref となるように電動モータ９の動作を制御することで、ピッチ用モータ６による本体部３の揺動を抑制することができる。このとき、本体部３のピッチ方向の傾斜角度の変化に応じて補助輪８を支持する支持部７の目標角度を変更して、支持部７が本体部３を支持する力の割合を一定に保つように制御することで、支持部７からの本体部３に対する反力がピッチ用モータ６の動作制御を阻害しないようにする。

一方、図７（ｂ）に示すように、急に大きな外力が付加された場合には、本体部３のピッチ傾斜角φは大きく変化する。制御基板３２のコントローラは、ピッチ傾斜角φが所定の閾値、例えばピッチ傾斜角φが２５度を超えたか否かを判断し、ピッチ傾斜角φが所定の閾値を超えたと判断した場合には、電動モータ９の動作の遅れ時間が大きくなるよう制御方程式の時定数を大きくしてある（遅れ制御）。このようにすることで、付加された外力に対する応答を遅くすることができ、動作を緩やかにすることができる。したがって、被歩行補助者が急に転倒しかけた場合など、急に大きな外力が付加された場合であっても、緩やかに本体部３の傾斜を元に戻すことにより、本体部３の挙動を大きく変化させることがなく、被歩行補助者である老人、身障者等の転倒するおそれを低減することができる。

被歩行補助者が転倒するパターンとしては、歩行時の「前進方向への転倒」と「後退方向への転倒」とが想定される。そして、被歩行補助者と補助輪８、本体部３の一対の車輪２との相対的な位置関係によって、「前進方向への転倒」を防止することができるか、「後退方向への転倒」を防止することができるか、を変えることができる。

図８は、補助輪８が、本体部３の一対の車輪２と被歩行補助者との間に位置する場合を示す模式図である。図８（ａ）に示すように、補助輪８が、本体部３の一対の車輪２と被歩行補助者８０との間に位置する場合、歩行時の「後退方向への転倒」については、補助輪８により転倒を防止することは容易である。しかし、図８（ｂ）に示すように、「前進方向への転倒」については、転倒を防止するべき補助輪８が浮き上がり、転倒を防止することができないおそれがある。

図９は、本体部３の一対の車輪２が、補助輪８と被歩行補助者８０との間に位置する場合を示す模式図である。図９（ａ）に示すように、本体部３の一対の車輪２が、補助輪８と被歩行補助者８０との間に位置する場合、歩行時の「前進方向への転倒」については、補助輪８により確実に転倒を防止することができる。つまり、被歩行補助者８０と補助輪８、本体部３の一対の車輪２との相対的な位置関係を選択することにより、歩行時の「前進方向への転倒」を防止することができるか、「後退方向への転倒」を防止することができるか、を変えることができる。

被歩行補助者８０と補助輪８、本体部３の一対の車輪２との相対的な位置関係を変える方法は特に限定されるものではないが、例えば把持部４を回転することが可能に本体部３の一端に設けても良い。図１０は、本発明の実施の形態に係る歩行補助車１の把持部４の本体部３への取付方法を説明するための模式図である。

例えば図１０（ａ）又は図１０（ｂ）に示すように、本体部３と把持部４とを分離しておき、ネジ又はピン９０等で把持部４を本体部３へ固定する構成にしておけば良い。ネジ又はピン９０を緩めることで、把持部４を本体部３のヨー方向に回転させることができ、ヨー方向に１８０度回転させることにより把持部４の向きを１８０度変えることで、被歩行補助者８０と補助輪８、本体部３の一対の車輪２との相対的な位置関係を変更する。

また、図１０（ｃ）に示すようにナット９５を用いて本体部３と分離している把持部４の向きを回転させて固定しても良いし、図１０（ｄ）に示すように本体部３と分離している把持部４の支柱部分に、指で押し込むことが可能な突起部４０を設けておき、把持部４の支柱部分が挿入される場合の突起部４０用の穴部を本体部３の同じ高さに複数設けておいても良い。突起部４０を押し込みながら把持部４の支柱部分を本体部３に挿入し、穴部でロックすることができる。１８０度回転させる場合は、突起部４０を押し込みながら把持部４を１８０度回転させて穴部でロックすれば良い。

なお、図１０に示す把持部４は、高さの調整も容易である。例えば図１０（ａ）、（ｃ）については固定する位置の高さを調整することにより、図１０（ｄ）については高さを変えた複数の穴部を設けることにより、それぞれ容易に高さを変更することができる。また、図１０（ｂ）についても、把持部４の支柱部分の長さを変えることができる構造、例えば支柱部分がスライドすることが可能な構造にしておけば同様の効果が期待できる。

また、支持部７を回転させる電動モータ９の代わりに、一又は一対の補助輪８に別途、回転モータを備え、補助輪８の回転を規制するようにしても良い。この場合、コントローラは、角度θが所定の閾値、例えば傾斜角度２５度を超えたか否かを判断し、角度θが所定の閾値を超えたと判断したときには、回転モータの回転を規制して補助輪８が回転しないように回転モータの動作を制御することができる。これにより、補助輪８がブレーキとして作用し、杖のように被歩行補助者８０を支持することも可能となる。

図１１は、歩行補助車１の制御基板３２のコントローラによる、補助輪８を支持する支持部７のピッチ方向の角度制御処理の手順を示すフローチャートである。

図１１に示すように制御基板３２のコントローラは、補助輪８を支持する支持部７と本体部３との間でなす角度として目標角度θref の指定を受け付け（ステップＳ１１０１）、ピッチ用ジャイロセンサ５で出力されたピッチ角速度をＡ／Ｄ変換して取得する（ステップＳ１１０２）。コントローラは、取得したピッチ角速度を積分してピッチ傾斜角φを推定し（ステップＳ１１０３）、（式２２）を用いて支持部７の目標角度θref の角度変化 dθを算出する（ステップＳ１１０４）。

コントローラは、支持部角度エンコーダ９１の出力（パルス信号）のパルス数を計数し（ステップＳ１１０５）、支持部角度エンコーダ９１の出力（パルス信号）から算出された支持部７の角度θと、支持部７の目標角度（θref ＋ dθ）との偏差を取得する（ステップＳ１１０６）。コントローラは、支持部７の角度θと支持部７の目標角度（θref ＋ dθ）との偏差を用いて、支持部７をピッチ方向に回転させるピッチ方向外部トルクを推定する（ステップＳ１１０７）。

コントローラは、推定したピッチ方向外部トルクに基づいて、ピッチ用トルク指令を生成し（ステップＳ１１０８）、生成したピッチ用トルク指令に変換係数を乗算して指令電圧を算出する（ステップＳ１１０９）。コントローラは、算出した指令電圧をＤ／Ａ変換し、電動モータ９を回転駆動するドライバに出力する（ステップＳ１１１０）。コントローラは、ステップＳ１１０１からステップＳ１１１０までの処理を繰り返し実行する。

以上のように、本実施の形態によれば、本体部３の角度変化が０（ゼロ）となるようピッチ用モータ６の動作を制御することにより、本体部３のピッチ方向の傾斜角を、本体部３が倒れこまないよう均衡を保持することが可能な平衡角度に収束するよう制御することができ、被歩行補助者８０である老人、身障者等が特に意識して外力を加えることなく安定して歩行を補助することが可能となる。また、被歩行補助者８０である老人、身障者等が把持部４に体重をかけてもたれた場合であっても、補助輪８により本体部３が傾斜することを抑制することができ、より安全に歩行を補助することが可能となる。さらに、急に大きな外力が付加されて被歩行補助者８０が転倒しかけた場合であっても、本体部３の挙動を大きく変化させることがなく、被歩行補助者８０である老人、身障者等の転倒するおそれを低減することが可能となる。

また、本発明を実施するに際して、外出時の使用等を考慮した場合、駆動源として電池３３を用いることが自然である。駆動源として電池３３を用いる場合、常にピッチ用モータ６、電動モータ９の動作制御をするのでは、電池３３の消耗が激しく、長時間使用できない可能性がある。

そこで、例えばコントローラが、ピッチ傾斜角φが所定の閾値を超えていないと判断した場合には、電動モータ９、又は電動モータ９の動作を制御する第２制御部への電力供給を行わない（第２駆動部（電動モータ９）の制御を行わない）ようにすることにより、消費電力の低減を図ることができる。

さらに、支持部７の回転を拘束するブレーキ機構（拘束機構）と、使用者から把持部４への入力の有無を検出する検出手段とを設けておき、使用者から把持部４への入力が一定時間（例えば１０秒間）以上ないと判断した場合には、ブレーキ機構を機能させる代わりに、電動モータ９、もしくは電動モータ９の動作を制御する第２制御部への電力供給を行わない（第２駆動部（電動モータ９）の制御を行わない）ようにすることにより、消費電力の低減を図ることもできる。

また、ピッチ用モータ６、もしくはピッチ用モータ６の動作を制御する第１制御部への電力供給を行わないようにしても良い。歩行補助車の姿勢を支持部７によってのみ維持することができ、第１駆動部（ピッチ用モータ６）の制御に要する電力消費を抑制することができる。

使用者から把持部４への入力の有無を検出する検出手段としては、ピッチ用ジャイロセンサ５からの出力信号を用いても良いし、別途、把持部４に接触センサを設け、使用者が把持部４に触れたかどうかを検出するようにしても良い。

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。同様にブレーキ機構（拘束機構）についても支持部７の連結部に設けることに限定されるものではなく、一対の車輪２に他の拘束機構を１個設けても良いし、車輪２ごとに１個ずつ設けても良い。また、ピッチ用ジャイロセンサ５として、角速度センサを用いる場合について説明しているが、角加速度センサ、傾斜センサ等であっても良いし、これらを複数組み合わせても良い。

１ 歩行補助車
２ 車輪
３ 本体部
４ 把持部
５ ピッチ用ジャイロセンサ（センサ部）
６ ピッチ用モータ（第１駆動部）
７ 支持部
８ 補助輪
９ 電動モータ（第２駆動部）
１０ 支点
３１ フレーム
３２ 制御基板（第１制御部、第２制御部）
３３ 電池
６１ ピッチ用エンコーダ
９１ 支持部角度エンコーダ

上記目的を達成するために本発明に係る歩行補助車は、一対の車輪と、該一対の車輪を駆動する一又は複数の第１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、該本体部の一端に把持することが可能に設けられている把持部とを備える歩行補助車において、前記本体部のピッチ方向の傾斜角の角度変化を検出するセンサ部と、該センサ部の出力に基づいて、前記本体部の角度変化が０（ゼロ）となるよう前記一又は複数の第１駆動部の動作を制御する第１制御部とを備え、前記一対の車輪の回転に伴う反動トルクにより前記本体部の角度変化を０にすることを特徴とする。

上記構成では、本体部のピッチ方向の傾斜角の角度変化を検出するセンサ部の出力に基づいて、本体部の角度変化が０（ゼロ）となるよう一又は複数の第１駆動部の動作を制御する。これにより、一対の車輪の回転に伴う反動トルクにより本体部のピッチ方向の傾斜角を、本体部が倒れこまないよう均衡を保持することが可能な平衡角度に収束するよう制御することができ、被歩行補助者である老人、身障者等が特に意識して外力を加えることなく、安定して歩行を補助することが可能となる。

上記構成によれば、本体部のピッチ方向の傾斜角の角度変化を検出するセンサ部の出力に基づいて、本体部の角度変化が０（ゼロ）となるよう一又は複数の第１駆動部の動作を制御する。これにより、一対の車輪の回転に伴う反動トルクにより本体部のピッチ方向の傾斜角を、本体部が倒れこまないよう均衡を保持することが可能な平衡角度に収束するよう制御することができ、被歩行補助者である老人、身障者等が特に意識して外力を加えることなく、安定して歩行を補助することが可能となる。

Claims (12)

1. 一対の車輪と、
   該一対の車輪を駆動する一又は複数の第１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、
   該本体部の一端に把持することが可能に設けられている把持部と
   を備える歩行補助車において、
   前記本体部のピッチ方向の傾斜角の角度変化を検出するセンサ部と、
   該センサ部の出力に基づいて、前記本体部の角度変化が０（ゼロ）となるよう前記一又は複数の第１駆動部の動作を制御する第１制御部と
   を備えることを特徴とする歩行補助車。
2. 前記センサ部は、角速度センサ、傾斜センサ、角加速度センサのうち少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項１に記載の歩行補助車。
3. 前記本体部は、ピッチ方向に回転することが可能に一端を連結してある支持部を有し、
   該支持部は、他端に回転することが可能な一又は一対の補助輪を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の歩行補助車。
4. 前記把持部は、前記本体部のヨー方向に回転することが可能に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の歩行補助車。
5. 前記支持部の連結部もしくは前記一又は一対の補助輪を回転させる第２駆動部と、
   該第２駆動部を制御する第２制御部と
   を備え、
   該第２制御部は、
   前記支持部と前記本体部との間でなす角度として目標角度の指定を受け付け、
   前記センサ部の出力に基づいて、前記支持部と前記本体部との間でなす角度が前記目標角度となるよう前記第２駆動部の動作を制御することを特徴とする請求項３又は４に記載の歩行補助車。
6. 前記第２駆動部が前記支持部の前記連結部に設けてあり、
   前記第２制御部は、
   前記センサ部の出力変化が所定の閾値を超えたか否かを判断し、前記センサ部の出力変化が所定の閾値を超えたと判断した場合、前記支持部と前記本体部との間でなす角度の変化を抑制するよう遅れ制御することを特徴とする請求項４又は５に記載の歩行補助車。
7. 前記第２駆動部が前記支持部の前記連結部に設けてあり、
   前記第２制御部は、
   前記センサ部の出力変化又は前記第２駆動部のエンコーダ出力変化が所定の閾値を超えたか否かを判断し、前記センサ部の出力変化又は前記第２駆動部のエンコーダ出力変化が所定の閾値を超えていないと判断した場合、前記第２駆動部の制御を行わないことを特徴とする請求項４又は５に記載の歩行補助車。
8. 前記支持部の回転を拘束する拘束機構と、
   使用者から前記把持部への入力の有無を検出する検出手段と
   を有し、
   該検出手段が、前記把持部への入力がないと検出した場合に、前記拘束機構により前記支持部の回転を停止させることを特徴とする請求項３及至７のいずれか一項に記載の歩行補助車。
9. 前記検出手段は、前記センサ部の出力変化が一定時間以上ないと判断した場合、前記把持部への入力がないと検出することを特徴とする請求項８に記載の歩行補助車。
10. 前記検出手段は、前記把持部に設けられている接触センサであることを特徴とする請求項８に記載の歩行補助車。
11. 前記拘束機構により前記支持部の回転を停止させる際に、前記第１制御部が前記第１駆動部の制御を行わないことを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の歩行補助車。
12. 前記拘束機構により前記支持部の回転を停止させる際に、前記一対の車輪のうち少なくとも一方の車輪の回転を停止させる他の拘束機構をさらに有することを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか一項に記載の歩行補助車。