JPWO2016035726A1 - 手押し車 - Google Patents

Abstract

手押し車（１０）は、左車輪、右車輪、左車輪を回転させる左車輪用駆動部（２４Ａ）、右車輪を回転させる右車輪用駆動部（２４Ｂ）、制御部（２１）、左車輪の回転角度を検出する左車輪用ロータリエンコーダ（２５Ａ）、および、右車輪の回転角度を検出する右車輪用ロータリエンコーダ（２５Ｂ）を備える。制御部（２１）は、左車輪および右車輪の角速度の平均成分および差分成分を演算し、平均成分と差分成分とを重み付け加算することにより左車輪および右車輪の擬似角速度を演算し、左車輪および右車輪の擬似角速度と、左車輪および右車輪に対して共通の車輪角速度指令値との差分が０になるように左車輪用駆動部（２４Ａ）および右車輪用駆動部（２４Ｂ）を個別にフィードバック制御する。

Description

本発明は、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、車輪を駆動および制御する倒立二輪車が知られている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１の倒立二輪車は、本体、本体に取り付けられた一対の駆動ユニット、および駆動ユニットにより回転駆動される左右の車輪を備える。さらに、この倒立二輪車は、本体の傾きを検出する姿勢検出装置、車輪角速度を検出する車輪角速度検出手段、旋回操作を受け付ける旋回操作装置、および車両の制御を行う制御装置を備える。

制御装置は、車両ピッチ角度指令、姿勢検出装置で検出された車両ピッチ角度等に基づいて姿勢速度指令を算出するとともに、旋回操作装置により入力されたヨー角速度指令に基づいて旋回速度指令を算出する。そして、制御装置は、姿勢速度指令、旋回速度指令おおよび車輪角速度に基づいて駆動ユニットを制御する。これにより、この倒立二輪車では、姿勢制御および旋回制御の両方が行われる。

特開２０１１−２０７２７７号公報

特許文献１の倒立二輪車では、旋回制御を行うために旋回操作装置が必要となるので、倒立二輪車の構成が複雑になるおそれがある。

本発明の目的は、旋回操作を受け付ける入力装置を必要とせず、使用者の力を利用して旋回することができる手押し車を提供することにある。

本発明の手押し車は、本体部、左車輪、右車輪、左車輪用駆動部、右車輪用駆動部、制御部および車輪角速度検出部を備える。左車輪は、進行方向に対して本体部の左側に設けられている。右車輪は、進行方向に対して本体部の右側に設けられている。左車輪用駆動部は左車輪の回転軸の周りに左車輪を回転させる。右車輪用駆動部は右車輪の回転軸の周りに右車輪を回転させる。制御部は左車輪用駆動部および右車輪用駆動部を個別にフィードバック制御する。車輪角速度検出部は左車輪および右車輪の回転軸の周りの角速度をそれぞれ検出する。制御部は、左車輪および右車輪の回転軸の周りの角速度の平均成分および差分成分を演算し、平均成分と差分成分とを重み付け加算することにより左車輪および右車輪の擬似角速度を演算し、左車輪および右車輪の擬似角速度と、左車輪および右車輪に対して共通の車輪角速度指令値との差分が０になるように左車輪用駆動部および右車輪用駆動部を個別に制御する。

この構成では、車輪角速度指令値が左車輪および右車輪に対して共通であるので、旋回操作を受け付ける入力装置が必要ない。また、差分成分の重みを０にすると、左車輪および右車輪の擬似角速度が互いに等しくなる。このため、左車輪用駆動部および右車輪用駆動部を制御するためのトルク指令に、本体部の回転動作が寄与しないので、手押し車の駆動力は、使用者の力による手押し車の旋回（ヨー方向の回転）を妨げない。この結果、使用者は自らの力で手押し車を旋回させることができる。

また、差分成分の重みが０から大きくなるにつれて、左車輪における擬似角速度および回転軸の周りの角速度は互いに近づき、右車輪における擬似角速度および回転軸の周りの角速度は互いに近づく。このため、左車輪および右車輪の回転軸の周りの角速度は共に車輪角速度指令値に近づくので、使用者は自らの力で手押し車を旋回させにくくなる。従って、差分成分の重みを調整することにより、手押し車の旋回方向の可動性を制御することができる。

本発明の手押し車は次のように構成されることが好ましい。本発明の手押し車は本体ピッチ角度検出部を備える。本体部は、左車輪および右車輪に対してピッチ方向に回転可能に支持されている。本体ピッチ角度検出部は本体部のピッチ方向の回転角度を検出する。制御部は、本体部のピッチ方向の回転角度に基づいて車輪角速度指令値を演算する。この構成では、本体部の姿勢が保たれるように倒立振子制御が行われる。

本発明の手押し車は次のように構成されてもよい。本発明の手押し車は、左車輪および右車輪に対するブレーキ操作を受け付けるブレーキ操作受付部を備える。制御部は、ブレーキ操作の操作量が大きくなるにつれて、左車輪および右車輪の擬似角速度における差分成分の重みを大きくする。この構成では、ブレーキ操作の操作量を大きくするにつれて、手押し車の旋回方向の可動性を小さくすることができる。

本発明の手押し車では、制御部は、ブレーキ操作の操作量が大きくなるにつれて車輪角速度指令値の大きさを小さくすることが好ましい。この構成では、ブレーキ操作の操作量を大きくするにつれて、手押し車の前後方向の可動性を小さくすることができる。

本発明の手押し車では、制御部は、手押し車の走行速度、または走行加速度が閾値以上になったとき、左車輪および右車輪の擬似角速度における差分成分の重みを大きくしてもよい。この構成では、手押し車の走行速度または走行加速度が過大となり、手押し車のバランスが崩れやすくなっても、使用者が手押し車を旋回させ、手押し車がバランスを崩して転倒することを防止できる。

本発明の手押し車では、制御部は、差分成分の大きさ、または差分成分の変化の大きさが閾値以上になったとき、左車輪および右車輪の擬似角速度における差分成分の重みを大きくしてもよい。この構成では、使用者が手押し車を急に旋回させることを制限することにより、使用者が危険な走行を行うことを防止できる。

本発明によれば、旋回操作を受け付ける入力装置を必要とせず、使用者の力を利用して旋回する手押し車を実現することができる。

第１の実施形態に係る手押し車の左側面図である。 図２（Ａ）は、第１の実施形態に係る手押し車の正面図である。図２（Ｂ）は第１の実施形態に係る手押し車の平面図である。 第１の実施形態に係る手押し車のハードウェア構成を示すブロック線図である。 第１の実施形態に係る制御部の制御構成図である。 係数ｋ＝０．２の場合における第１の実施形態の制御部の具体的動作を示す制御構成図である。 係数ｋ＝０．０の場合における第１の実施形態の制御部の具体的動作を示す制御構成図である。 係数ｋ＝０．０の場合における第１の実施形態の制御部の具体的動作を示す制御構成図である。 係数ｋ＝１．０の場合における第１の実施形態の制御部の具体的動作を示す制御構成図である。 第２の実施形態に係る手押し車の構成を示すブロック線図である。 第２の実施形態に係る制御部の制御構成図である。 第３の実施形態に係るベビーカーの外観斜視図である。 第３の実施形態に係るベビーカーの左側面図である。 第３の実施形態に係るベビーカーの正面図である。 第３の実施形態に係るベビーカーの背面図である。

《第１の実施形態》
本発明の第１の実施形態に係る手押し車１０について説明する。図１は手押し車１０の左側面図であり、図２（Ａ）は手押し車１０の正面図であり、図２（Ｂ）は手押し車１０の平面図である。

手押し車１０は、鉛直方向（図中Ｚ方向）において相対的に長く、奥行き方向（図中Ｙ方向）および左右方向（図中Ｘ方向）において相対的に短い形状の本体部１１を備えている。本体部１１の鉛直下方向の下部のうち、左右方向の端部には、一対の主輪１２が取り付けられている。主輪１２は左車輪１２Ａおよび右車輪１２Ｂから構成されている。

左車輪１２Ａは進行方向（Ｙ軸の正の方向）に対して本体部１１の左側に設けられている。右車輪１２Ｂは進行方向に対して本体部１１の右側に設けられている。左車輪１２Ａは、左右方向に中心軸を有する左車輪１２Ａの回転軸（車軸）の周りに回転する。右車輪１２Ｂは、左右方向に中心軸を有する右車輪１２Ｂの回転軸の周りに回転する。なお、主輪１２は、鉛直方向から見て本体部１１に対して回転しない。言い換えると、主輪１２は、本体部１１に対して向きを変えない。

各主輪１２に連結された２つの棒状の本体部１１は、上部で把持部１５に接続され、主輪１２の軸を中心としてピッチ方向に回転可能になっている。ただし、本体部１１は、この例のように２つの棒状である必要はなく、１つの棒状の部材であってもよいし、薄い板状の部材等であってもよい。また、本体部１１の下部付近には、制御用の基板や電池等を内蔵したボックス１６が配置されている。なお、本体部１１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。

把持部１５は、左右方向に長い円筒形状であり、左右端付近で進行方向に対して逆方向（後方）に向かって曲げられ、後方に向かって延びている。これにより、使用者Ｕが把持部１５を把持する位置を後方にシフトさせることができ、使用者Ｕの足元の空間を広くすることができる。

主輪１２の回転軸には、後方に延びる薄い板状の支持部１３が連結されている。支持部１３は、路面と平行に延びるように、主輪１２の回転軸に対してピッチ方向に回転可能に接続されている。

支持部１３には、主輪１２の回転軸に連結されている側とは反対方向の下面に補助輪１４が連結されている。これにより、主輪１２と補助輪１４の両方が路面に接するようになっている。支持部１３は、進行方向に対して主輪１２よりも後方に延びている。このため、相対的に内径の大きい主輪１２が進行方向に対して前方に配置されることになり、段差を乗り越えやすくなる。なお、支持部１３は、進行方向に対して主輪１２よりも前方に延び、補助輪１４が車輪１２よりも前方に配置される態様であってもよい。支持部１３が主輪１２よりも前方に延びる態様であれば、使用者Ｕの足元の空間を広くすることができる。

また、この例では、支持部１３および補助輪１４を２つずつ設け、それぞれ左右の主輪１２の回転軸に対して連結されているが、支持部１３および補助輪１４は、それぞれ１つあるいは３つ以上設ける態様であってもよい。ただし、図２に示すように左右の主輪１２の回転軸に対して連結することで、使用者Ｕの足元の空間を広くすることができる。

把持部１５には、電源スイッチ等のユーザインタフェース（Ｉ／Ｆ）２７が設けられている。使用者Ｕは、把持部１５を握ることで手押し車１０を進行方向に押すことができる。あるいは、使用者Ｕは、把持部１５を握らずに前腕等を把持部１５に上から押し付けるように載せて、把持部１５と前腕等との間で発生する摩擦により、把持部１５に前腕等を載せながら手押し車１０を進行方向に押すこともできる。

次に、手押し車１０のハードウェア構成および動作について説明する。図３は、手押し車１０の構成を示すブロック線図である。手押し車１０は、制御部２１、ＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３、左車輪用駆動部２４Ａ、右車輪用駆動部２４Ｂ、左車輪用ロータリエンコーダ２５Ａ、右車輪用ロータリエンコーダ２５Ｂ、本体部用ロータリエンコーダ２６およびユーザＩ／Ｆ２７を備えている。本体部用ロータリエンコーダ２６は本発明の本体ピッチ角度検出部に相当する。

制御部２１は、手押し車１０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。

左車輪用駆動部２４Ａは、左車輪１２Ａに取り付けられた回転軸を回転させるモータを駆動して左車輪１２Ａに動力を与える機能部であり、制御部２１が出力する後述のトルク指令に基づいて左車輪１２Ａのモータを駆動し、左車輪１２Ａの回転軸の周りに左車輪１２Ａを回転させる。右車輪用駆動部２４Ｂは、右車輪１２Ｂに取り付けられた回転軸を回転させるモータを駆動して右車輪１２Ｂに動力を与える機能部であり、制御部２１が出力するトルク指令に基づいて右車輪１２Ｂのモータを駆動し、右車輪１２Ｂの回転軸の周りに右車輪１２Ｂを回転させる。すなわち、手押し車１０は左車輪１２Ａおよび右車輪１２Ｂの駆動を個別に行うための独立した駆動部を有している。

左車輪用ロータリエンコーダ２５Ａは、左車輪１２Ａの回転軸の周りにおける左車輪１２Ａの回転角度を検出し、検出結果を制御部２１に出力する。右車輪用ロータリエンコーダ２５Ｂは、右車輪１２Ｂの回転軸の周りにおける右車輪１２Ｂの回転角度を検出し、検出結果を制御部２１に出力する。本体部用ロータリエンコーダ２６は、本体部１１と支持部１３との成す角度である交差角度を検出し、検出結果を制御部２１に出力する。この交差角度は本発明の「本体部のピッチ方向の回転角度」に相当する。以下では、この交差角度をピッチ角度と称する。なお、ピッチ角度は、ロータリエンコーダだけでなく、ポテンショメータで検出してもよい。

図４は制御部２１の制御構成図である。制御部２１は左車輪用駆動部２４Ａおよび右車輪用駆動部２４Ｂを個別にフィードバック制御する。制御部２１は、車輪角速度指令生成部３１、左車輪角速度制御部３２Ａ、右車輪角速度制御部３２Ｂ、旋回制御部３３、左車輪角速度算出部３４Ａおよび右車輪角速度算出部３４Ｂを備えている。

左車輪角速度算出部３４Ａは、左車輪用ロータリエンコーダ２５Ａが検出した左車輪１２Ａの回転角度θ_ｌを微分し、左車輪１２Ａの回転軸の周りにおける左車輪１２Ａの角速度ωｔ_ｌを算出する。右車輪角速度算出部３４Ｂは、右車輪用ロータリエンコーダ２５Ｂが検出した右車輪１２Ｂの回転角度θ_ｒを微分し、右車輪１２Ｂの回転軸の周りにおける右車輪１２Ｂの角速度ωｔ_ｒを算出する。左車輪用ロータリエンコーダ２５Ａおよび左車輪角速度算出部３４Ａならびに右車輪用ロータリエンコーダ２５Ｂおよび右車輪角速度算出部３４Ｂは、本発明の車輪角速度検出部に相当する。

旋回制御部３３は、角速度ωｔ_ｌおよび角速度ωｔ_ｒから角速度ωｔ_ｌ’および角速度ωｔ_ｒ’を次式により算出する。

ここで、式（１）および式（２）の第１項は角速度ωｔ_ｌおよび角速度ωｔ_ｒの平均成分であり、式（１）および式（２）の第２項は角速度ωｔ_ｌおよび角速度ωｔ_ｒの差分成分である。平均成分は手押し車１０の前後方向の動きを表し、差分成分は手押し車１０の旋回方向（ヨー方向）の動きを表している。係数ｋは角速度ωｔ_ｌ’または角速度ωｔ_ｒ’おける差分成分の重みを表し、０≦ｋ≦１である。言い換えると、旋回制御部３３は、係数ｋにより通過する割合を操作した差分成分を平均成分に加算して出力する。

すなわち、角速度ωｔ_ｌ’および角速度ωｔ_ｒ’は、平均成分と差分成分とを重み付け加算することにより算出される。角速度ωｔ_ｌ’は本発明の「左車輪の擬似角速度」に相当する。角速度ωｔ_ｒ’は本発明の「右車輪の擬似角速度」に相当する。

車輪角速度指令生成部３１は、本体部用ロータリエンコーダ２６が検出した本体部１１のピッチ角度θｈと、ピッチ角度指令値θｈｒとに基づいて車輪角速度指令値ωｔｒを算出する。ピッチ角度指令値θｈｒは本体部１１のピッチ角度の目標値である。例えば、手押し車１０が水平な路面上にあるとき、本体部１１が路面に対して垂直になるように制御する場合、ピッチ角度指令値θｈｒを９０°とする。車輪角速度指令値ωｔｒは、主輪１２の回転軸の周りにおける主輪１２の角速度の目標値であり、ピッチ角度θｈがピッチ角度指令値θｈｒになるように決定される。このように、手押し車１０では、左車輪１２Ａおよび右車輪１２Ｂにおける回転軸の周りの角速度の目標値は互いに等しい。車輪角速度指令値ωｔｒは、例えば、Ｋ_ｐを比例ゲインとしてωｔｒ＝Ｋ_ｐ（θｈｒ−θｈ）により算出される。

左車輪角速度制御部３２Ａは、車輪角速度指令値ωｔｒおよび角速度ωｔ_ｌ’に基づいてトルク指令値ｔｒ_ｌを算出し、トルク指令値ｔｒ_ｌに基づくトルク指令を出力する。トルク指令値ｔｒ_ｌは、例えば、Δ_ｌ＝ωｔｒ−ωｔ_ｌ’を制御偏差としてＰＩ制御が行われることにより算出される。左車輪用駆動部２４Ａは、左車輪角速度制御部３２Ａが出力したトルク指令に応じて、左車輪１２Ａにトルクｔｒ_ｌを加える。すなわち、制御部２１は、角速度ωｔ_ｌ’と車輪角速度指令値ωｔｒとの差分が０になるように左車輪用駆動部２４Ａを制御する。

右車輪角速度制御部３２Ｂは、左車輪角速度制御部３２Ａと同様に、車輪角速度指令値ωｔｒおよび角速度ωｔ_ｒ’に基づいてトルク指令値ｔｒ_ｒを算出し、トルク指令値ｔｒ_ｒに基づくトルク指令を出力する。トルク指令値ｔｒ_ｒは、例えば、Δ_ｒ＝ωｔｒ−ωｔ_ｒ’を制御偏差としてＰＩ制御が行われることにより算出される。右車輪用駆動部２４Ｂは、右車輪角速度制御部３２Ｂが出力したトルク指令に応じて、右車輪１２Ｂにトルクｔｒ_ｒを加える。すなわち、制御部２１は、角速度ωｔ_ｒ’と車輪角速度指令値ωｔｒとの差分が０になるように右車輪用駆動部２４Ｂを制御する。

このように、手押し車１０は、倒立振子制御を行い、本体部１１のピッチ角度θｈがピッチ角度指令値θｈｒに保たれるように姿勢を制御する。また、ピッチ角度θｈとピッチ角度指令値θｈｒとの差分が非ゼロ値になるように本体部１１を傾け続けると、手押し車１０は、ピッチ角度θｈをピッチ角度指令値θｈｒに保つために、主輪１２の回転軸の周りに主輪１２を回転させ続ける。これにより、手押し車１０は前進または後退する。

例えば、手押し車１０が左旋回しながら前進する場合、角速度ωｔ_ｌ’の差分成分（式（１）参照）は負になり、角速度ωｔ_ｒ’の差分成分（式（２）参照）は正となる。このため、角速度ωｔ_ｌ’の差分成分は、左車輪用駆動部２４Ａが左車輪１２Ａに加えるトルクを大きくするように働く。角速度ωｔ_ｒ’の差分成分は、右車輪用駆動部２４Ｂが右車輪１２Ｂに加えるトルクを小さくするように働く。ここで、角速度およびトルクについては、手押し車１０が前進するときの主輪１２の回転軸の周りの回転方向を正としている。この結果、差分成分は、手押し車１０が旋回することを妨げるように働く。このことは、手押し車１０が右旋回する場合や後退する場合でも同様である。従って、差分成分の係数ｋは手押し車１０の旋回方向の可動性を表す。すなわち、係数ｋを調整することにより、手押し車１０の旋回方向の可動性を制御することができる。なお、平均成分および車輪角速度指令値ωｔｒは、左車輪１２Ａおよび右車輪１２Ｂにおいて等しいので、手押し車１０の旋回に寄与しない。

特に、係数ｋが０に設定される場合、ωｔ_ｌ’＝ωｔ_ｒ’となる。このため、左車輪用駆動部２４Ａが左車輪１２Ａに加えるトルクと、右車輪用駆動部２４Ｂが右車輪１２Ｂに加えるトルクとは等しくなる。この結果、外部から手押し車１０にヨー方向にトルクが加わったとき、左車輪用駆動部２４Ａおよび右車輪用駆動部２４Ｂは、手押し車１０が旋回することを妨げない。

別の言い方をすると、手押し車１０の旋回方向の動きを表す差分成分が角速度ωｔ_ｌ’および角速度ωｔ_ｒ’に含まれないので、手押し車１０の旋回方向の動きは車輪角速度指令値ωｔｒの影響を受けない。このため、手押し車１０の駆動力に妨げられず、使用者の力で手押し車１０を自由に旋回させることができる。

また、係数ｋが１に設定される場合、ωｔ_ｌ’＝ωｔ_ｌおよびωｔ_ｒ’＝ωｔ_ｒとなる。このため、制御部２１は、左車輪１２Ａの角速度ωｔ_ｌおよび右車輪１２Ｂの角速度ωｔ_ｒが車輪角速度指令値ωｔｒになるように左車輪用駆動部２４Ａおよび右車輪用駆動部２４Ｂを制御する。この結果、外部から手押し車１０にヨー方向にトルクが加わっても、手押し車１０は旋回しようとしない。

図５は、係数ｋ＝０．２の場合における制御部２１の具体的動作を示す制御構成図である。なお、図５〜図８において、角速度の正の方向は、手押し車１０が前進するときの主輪１２の回転軸の周りの回転方向である。また、角速度の単位は［ｒａｄ／ｓ］である。

使用者が手押し車１０を左旋回させながら前進させているので、角速度ωｔ_ｌ、角速度ωｔ_ｒおよび角速度指令値ωｔｒは正の値になっており、角速度ωｔ_ｌは角速度ωｔ_ｒより小さくなっている。具体的には、角速度ωｔ_ｌ＝０．５、角速度ωｔ_ｒ＝１．５および角速度指令値ωｔｒ＝２．０となっている。式（１）より角速度ωｔ_ｌ’＝０．９となり、式（２）より角速度ωｔ_ｒ’＝１．１となる。制御偏差Δ_ｌ＝ωｔｒ−ωｔ_ｌ’であるので、制御偏差Δ_ｌ＝１．１となり、制御偏差Δ_ｒ＝ωｔｒ−ωｔ_ｒ’であるので、制御偏差Δ_ｒ＝０．９となる。制御偏差Δ_ｌが制御偏差Δ_ｒより大きいので、左車輪用駆動部２４Ａが左車輪１２Ａに加えるトルクは、右車輪用駆動部２４Ｂが右車輪１２Ｂに加えるトルクより大きくなる。このため、左車輪用駆動部２４Ａおよび右車輪用駆動部２４Ｂは、使用者が自らの力で手押し車１０を左旋回させることを妨げる。

また、角速度ωｔ_ｌおよび角速度ωｔ_ｒに差分成分が含まれていない場合、制御偏差Δ_ｌ＝１．０および制御偏差Δ_ｒ＝１．０となる。このため、角速度ωｔ_ｌ’に差分成分が含まれる場合、角速度ωｔ_ｌ’に差分成分が含まれない場合より、左車輪用駆動部２４Ａが左車輪１２Ａに加えるトルクが大きくなる。角速度ωｔ_ｒ’に差分成分が含まれる場合、角速度ωｔ_ｒ’に差分成分が含まれない場合より、右車輪用駆動部２４Ｂが右車輪１２Ｂに加えるトルクが小さくなる。この結果、差分成分は、手押し車１０が左旋回することを妨げるように働く。

図６は、係数ｋ＝０．０の場合における制御部２１の具体的動作を示す制御構成図である。使用者は、手押し車１０を移動させずに、自らの力で手押し車１０をヨー方向に左回りに回転させている。このため、角速度ωｔ_ｌ＝−０．５、角速度ωｔ_ｒ＝０．５および角速度指令値ωｔｒ＝０．０となっている。係数ｋ＝０．０であるので、角速度ωｔ_ｌ’および角速度ωｔ_ｒ’は平均成分のみを含む。よって、角速度ωｔ_ｌ’＝０．０となり、角速度ωｔ_ｒ’＝０．０となる。そして、制御偏差Δ_ｌ＝０．０となり、制御偏差Δ_ｒ＝０．０となる。このため、左車輪用駆動部２４Ａおよび右車輪用駆動部２４Ｂは、現状を維持するように左車輪１２Ａおよび右車輪１２Ｂにトルクを加えるので、使用者が自らの力で手押し車１０をヨー方向に回転させることを妨げない。

図７は、係数ｋ＝０．０の場合における制御部２１の具体的動作を示す制御構成図である。使用者が手押し車１０を左旋回させながら前進させており、角速度ωｔ_ｌ＝０．５、角速度ωｔ_ｒ＝１．５および角速度指令値ωｔｒ＝２．０となっている。係数ｋ＝０．０であるので、角速度ωｔ_ｌ’および角速度ωｔ_ｒ’は平均成分のみを含む。よって、角速度ωｔ_ｌ’＝１．０となり、角速度ωｔ_ｒ’＝１．０となる。そして、制御偏差Δ_ｌ＝１．０となり、制御偏差Δ_ｒ＝１．０となる。このため、左車輪用駆動部２４Ａが左車輪１２Ａに加えるトルクと、右車輪用駆動部２４Ｂが右車輪１２Ｂに加えるトルクとは等しくなる。この結果、左車輪用駆動部２４Ａおよび右車輪用駆動部２４Ｂは、使用者が自らの力で手押し車１０を左旋回させることを妨げない。

図８は、係数ｋ＝１．０の場合における制御部２１の具体的動作を示す制御構成図である。使用者が手押し車１０を左旋回させながら前進させており、角速度ωｔ_ｌ＝０．５、角速度ωｔ_ｒ＝１．５および角速度指令値ωｔｒ＝２．０となっている。係数ｋ＝１．０であるので、角速度ωｔ_ｌ’＝ωｔ_ｌ=０．５および角速度ωｔ_ｒ’＝ωｔ_ｒ=１．５となる。そして、制御偏差Δ_ｌ＝１．５となり、制御偏差Δ_ｒ＝０．５となる。制御部２１は、制御偏差Δ_ｌおよび制御偏差Δ_ｒが０になるように左車輪用駆動部２４Ａおよび右車輪用駆動部２４Ｂを制御する。すなわち、制御部２１は、角速度ωｔ_ｌおよび角速度ωｔ_ｒが２．０になるように左車輪用駆動部２４Ａおよび右車輪用駆動部２４Ｂを制御する。このため、使用者は手押し車１０を直進させることしかできない。

第１の実施形態では、車輪角速度指令値ωｔｒが左車輪１２Ａおよび右車輪１２Ｂにおいて等しいので、旋回操作を受け付ける入力装置が必要ない。また、上述のように、係数ｋが０に設定される場合、手押し車１０の駆動力は使用者の力による手押し車１０の旋回を妨げない。このため、使用者は自らの力で手押し車１０を旋回させることができる。また、使用者は、手押し車１０を移動させずに、自らの力で手押し車１０をヨー方向に回転させることができる。また、手押し車１０を旋回させるべきでない状況であると判断できる場合は、係数ｋの値を１．０に近づけることにより、手押し車１０が旋回してしまうことを抑制または制御できる。

次に、第１の実施形態の変形例に係る手押し車について説明する。制御部２１（図３参照）は、次のような危険を検知した場合、係数ｋ（式（１）および式（２）参照）を大きくすることにより、手押し車の旋回方向の可動性を抑制してもよい。

制御部２１は、手押し車の走行速度や走行加速度が過大であることを検出した場合、係数ｋを大きくする。すなわち、制御部２１は、手押し車の走行速度や走行加速度が閾値以上になったとき、係数ｋを大きくする。手押し車の走行速度や走行加速度は、例えば、左車輪用ロータリエンコーダ２５Ａおよび右車輪用ロータリエンコーダ２５Ｂが検出した主輪１２の回転軸の周りの回転角度等に基づいて算出される。この構成では、手押し車の走行速度が過大となり、手押し車のバランスが崩れやすくなっても、使用者が手押し車を旋回させ、手押し車がバランスを崩して転倒することを防止できる。

また、制御部２１は、手押し車のヨー方向の角速度や角加速度が過大であることを検出した場合、係数ｋを大きくする。手押し車のヨー方向の角速度は、例えば、角速度ωｔ_ｌと角速度ωｔ_ｒとの差分成分に基づいて算出される。手押し車のヨー方向の角加速度は、例えば、差分成分の変化の大きさに基づいて算出される。すなわち、制御部２１は、差分成分の大きさや差分成分の変化の大きさが閾値以上になったとき、係数ｋを大きくする。この構成では、使用者が手押し車を急に旋回させることを制限することにより、使用者が危険な走行を行うことを防止できる。

また、制御部２１は、手押し車が不整地や段差等を走行する際に、路面状況が悪いことを検出した場合、係数ｋを多少大きくする。路面状況は、例えば、手押し車に取り付けられたショックセンサ、光センサ、超音波センサ等を用いて検出される。この構成では、路面状況が悪い場合でも、手押し車はバランスを崩さず安全に走行することができる。

また、制御部２１は、手押し車の左側や右側に障害物を検出し、かつ、手押し車がその障害物に向かう方向に旋回する場合、係数ｋを大きくする。手押し車の周りにある障害物は、例えば、超音波センサ、光センサ等を用いて検出される。この構成では、手押し車が旋回して障害物に衝突することを防止することができる。

《第２の実施形態》
本発明の第２の実施形態に係る手押し車について説明する。図９は、手押し車４０の構成を示すブロック線図である。手押し車４０は制御部４１およびブレーキ操作受付部４５を備える。ブレーキ操作受付部４５は、例えば、把持部１５に設けられる。ブレーキ操作受付部４５は、主輪１２に対するブレーキ操作を受け付け、ブレーキ操作量ｂ，０≦ｂ≦１を出力する。ブレーキ操作量ｂは、使用者がブレーキを操作しないとき０となり、使用者のブレーキ操作が最大のとき１となる。ブレーキ操作量は本発明の「ブレーキ操作の操作量」に相当する。

図１０は制御部４１の制御構成図である。制御部４１は旋回制御部４３および車輪角速度制限処理部４６を備える。旋回制御部４３は、角速度ωｔ_ｌ、角速度ωｔ_ｒおよびブレーキ操作量ｂから角速度ωｔ_ｌ’および角速度ωｔ_ｒ’を次式により算出する。

ここで、ｆ（ｂ）はブレーキ操作量ｂの関数であり、０≦ｆ（ｂ）≦１である。関数ｆ（ｂ）は、使用者のブレーキ操作量ｂを手押し車４０の旋回方向の可動性に関連づけている。例えば、ｆ（ｂ）＝ｂである。すなわち、ブレーキ操作量ｂが大きくなるにつれて、角速度ωｔ_ｌ’および角速度ωｔ_ｒ’における差分成分の重みが大きくなる。この場合、使用者がブレーキを操作しないとき、使用者は自らの力で手押し車を旋回させることができる。ブレーキの操作量が大きくなるにつれて、使用者は手押し車を旋回させにくくなる。ブレーキの操作量が最大のとき、使用者は手押し車を旋回させることができなくなる。

車輪角速度制限処理部４６は、ブレーキ操作量ｂに基づいて車輪角速度指令値ωｔｒを車輪角速度指令値ωｔｒ’に変換する。車輪角速度指令値ωｔｒ’は、例えば、次式により算出される。

車輪角速度指令値ωｔｒ’の大きさは、ブレーキ操作量ｂが大きくなるにつれて線形的に小さくなる。このため、主輪１２の角速度ωｔ_ｌおよび角速度ωｔ_ｒは、ブレーキ操作量ｂが大きくなるにつれて線形的に制限される。また、車輪角速度指令値ωｔｒ’は、例えば、次式により算出されてもよい。

ここで、ωｔｒ_０は、使用者がブレーキを操作し始めたときの車輪角速度指令値ωｔｒである。ｂ・αｔｒは、減速の割合を表す減速角加速度値である。ここで、定数ａｔｒ＞０として、ωｔｒ_０≧０のときαｔｒ＝−ａｔｒであり、ωｔｒ_０＜０のときαｔｒ＝ａｔｒである。ただし|ωｔｒ_０|≧|∫(b・αｔｒ)ｄｔ|を満たす。第２項の積分は、使用者がブレーキを操作し始めたときから現時点までの範囲で行われる。減速角加速度値ｂ・αｔｒの大きさは、ブレーキ操作量ｂが大きくなるにつれて比例的に大きくなる。

但し、車輪角速度制限処理部４６は、式（６）により車輪角速度指令値ωｔｒ’が０となった場合、その後からブレーキ操作量ｂが０でなくなるまで車輪角速度指令値ωｔｒ’を０とする。また、ブレーキ操作量ｂが０の場合、車輪角速度指令値ωｔｒ’＝ωｔｒとする。但し、使用者がブレーキを操作し、主輪１２が停止しているときに、使用者がブレーキを操作しなくなった場合、車輪角速度指令値ωｔｒ’を少しずつ車輪角速度指令値ωｔｒに近づけていく。

式（６）を用いる制御では、使用者がブレーキを操作し始めると、車輪角速度指令値ωｔｒ’が次第に０に近づいていく。これに応じて、主輪１２の角速度ωｔ_ｌおよび角速度ωｔ_ｒも次第に０に近づいていく。主輪１２が一旦停止すると、使用者がブレーキを操作している限り、主輪１２の停止状態は保たれる。また、主輪１２の停止状態において、使用者がブレーキを操作しなくなったとき、車輪角速度指令値ωｔｒ’は少しずつ車輪角速度指令値ωｔｒに戻っていく。

第２の実施形態では、ブレーキ操作量ｂにより差分成分の係数および車輪角速度指令値が制御される。このため、使用者のブレーキ操作により手押し車の旋回方向および前後方向の可動性を制御することができる。具体的には、ブレーキ操作量ｂを大きくするにつれて、手押し車の旋回方向および前後方向の可動性を小さくすることができる。

《第３の実施形態》
本発明の第３の実施形態に係るベビーカーについて説明する。ベビーカーは本発明の手押し車の一例である。図１１はベビーカー５０の外観斜視図である。図１２はベビーカー５０の左側面図である。図１３はベビーカー５０の正面図である。図１４はベビーカー５０の背面図である。ベビーカー５０は本体部５１を備えている。本体部５１は、略鉛直方向へ延伸した枠状の部材である。

本体部５１の下側端部には、一対の主輪１２が回転自在に支持されている。本体部５１の略中央部には、ベビーカー５０の進行方向側に突出するように、補助支持部５３が設けられていて、補助支持部５３の端部には、一対の補助輪５４が回転自在に支持されている。そのため、ベビーカー５０では、一対の主輪１２が後輪であり、一対の補助輪５４が前輪である。また、各主輪１２の直径は、補助輪５４の直径より長い。

本体部５１の上部５１１は、ベビーカー５０の進行方向とは反対側に僅かに傾斜しており、体部５１の上側端部には、円柱状の把持部５５が設けられている。把持部５５には、電源スイッチ等のユーザインタフェースおよび把持力検出部（ともに図示せず）が設けられている。把持力検出部は、使用者（ベビーカーを押す者）が把持部５５を把持する力（把持力）を検出する。把持力検出部は、例えば、接触センサであり、把持部５５に対する押圧力を検出する圧電素子等を備える。

本体部５１の略中央部には、乳幼児を乗せる座部６１が設けられている。本体部５１の上部５１１における一対のフレームの間には、背もたれ６２、日除け６３およびフロントバー６４が設けられている。背もたれ６２は、本体部５１の上部５１１のフレームに沿って配置されている。日除け６３は、背もたれ６２の上部を覆うように配置されている。フロントバー６４は略Ｕ字形状を有し、フロントバー６４の両端は本体部５１の上部５１１のフレームに取付けられている。座部６１の下方にはボックス１６が設けられている。ボックス１６の内部には、ベビーカー５０の各部に駆動電圧を供給する電池および制御用の基板等が内蔵されている。

ベビーカー５０のハードウェア構成および動作は、第１の実施形態の手押し車１０のハードウェア構成および動作（図３および図４参照）と同様である。但し、ベビーカー５０は、手押し車１０の本体部用ロータリエンコーダ２６の代わりに、把持力検出部を備える。ベビーカー５０の車輪角速度指令生成部は、把持力検出部が検出した把持力に基づいて車輪角速度指令値ωｔｒを算出する。

なお、ベビーカー５０は次のように構成されてもよい。本体部５１の上部５１１のフレームは、本体部５１の下部５１２のフレームに、ピッチ方向に回転自在に取付けられている。ベビーカー５０は、本体部５１の上部５１１のフレームと本体部５１の下部５１２のフレームとの成す角度（ピッチ角度）を検出する本体部用ロータリエンコーダを備える。ベビーカー５０の車輪角速度指令生成部は、第１の実施形態の手押し車１０と同様に、本体部用ロータリエンコーダが検出した本体部５１のピッチ角度θｈと、ピッチ角度指令値θｈｒとに基づいて車輪角速度指令値ωｔｒを算出する。

また、ベビーカー５０は、第２の実施形態の手押し車４０のように、使用者のブレーキ操作に応じて動作してもよい。

Ｕ…使用者
１０，４０…手押し車
１１，５１…本体部
１２…主輪
１２Ａ…左車輪
１２Ｂ…右車輪
１３…支持部
１４，５４…補助輪
１５，５５…把持部
１６…ボックス
２１，４１…制御部
２２…ＲＯＭ
２３…ＲＡＭ
２４Ａ…左車輪用駆動部
２４Ｂ…右車輪用駆動部
２５Ａ…左車輪用ロータリエンコーダ
２５Ｂ…右車輪用ロータリエンコーダ
２６…本体部用ロータリエンコーダ（本体ピッチ角度検出部）
２７…ユーザＩ／Ｆ
３１…車輪角速度指令生成部
３２Ａ…左車輪角速度制御部
３２Ｂ…右車輪角速度制御部
３３，４３…旋回制御部
３４Ａ…左車輪角速度算出部
３４Ｂ…右車輪角速度算出部
４５…ブレーキ操作受付部
４６…車輪角速度制限処理部
５０…ベビーカー
５３…補助支持部
６１…座部
６２…背もたれ
６３…日除け
６４…フロントバー

本発明の手押し車は、本体部、左車輪、右車輪、左車輪用駆動部、右車輪用駆動部、制御部および車輪角速度検出部を備える。左車輪は、進行方向に対して本体部の左側に設けられている。右車輪は、進行方向に対して本体部の右側に設けられている。左車輪用駆動部は左車輪の回転軸の周りに左車輪を回転させる。右車輪用駆動部は右車輪の回転軸の周りに右車輪を回転させる。制御部は左車輪用駆動部および右車輪用駆動部を個別にフィードバック制御する。車輪角速度検出部は左車輪および右車輪の回転軸の周りの角速度をそれぞれ検出する。制御部は、左車輪および右車輪の回転軸の周りの前進方向を正とした角速度の平均成分を演算し、また各車輪に対して、各車輪の前進方向を正とした角速度に対して、左車輪の角速度と右車輪の角速度との差分成分を演算し、平均成分と差分成分とを重み付け加算することにより左車輪および右車輪の擬似角速度をそれぞれ演算し、左車輪および右車輪の擬似角速度と、左車輪および右車輪に対して共通の車輪角速度指令値との差分が０になるように左車輪用駆動部および右車輪用駆動部を個別に制御する。

Claims (6)

1. 本体部と、
   進行方向に対して前記本体部の左側に設けられた左車輪と、
   進行方向に対して前記本体部の右側に設けられた右車輪と、
   前記左車輪の回転軸の周りに前記左車輪を回転させる左車輪用駆動部と、
   前記右車輪の回転軸の周りに前記右車輪を回転させる右車輪用駆動部と、
   前記左車輪用駆動部および前記右車輪用駆動部を個別にフィードバック制御する制御部と、
   前記左車輪および前記右車輪の回転軸の周りの角速度をそれぞれ検出する車輪角速度検出部と、を備え、
   前記制御部は、前記左車輪および前記右車輪の回転軸の周りの角速度の平均成分および差分成分を演算し、前記平均成分と前記差分成分とを重み付け加算することにより前記左車輪および前記右車輪の擬似角速度を演算し、前記左車輪および前記右車輪の擬似角速度と、前記左車輪および前記右車輪に対して共通の車輪角速度指令値との差分が０になるように前記左車輪用駆動部および前記右車輪用駆動部を個別に制御する、手押し車。
2. 本体ピッチ角度検出部をさらに備え、
   前記本体部は、前記左車輪および前記右車輪に対してピッチ方向に回転可能に支持され、
   前記本体ピッチ角度検出部は前記本体部のピッチ方向の回転角度を検出し、
   前記制御部は、前記本体部のピッチ方向の回転角度に基づいて前記車輪角速度指令値を演算する、請求項１に記載の手押し車。
3. 前記左車輪および前記右車輪に対するブレーキ操作を受け付けるブレーキ操作受付部を備え、
   前記制御部は、前記ブレーキ操作の操作量が大きくなるにつれて、前記左車輪および前記右車輪の擬似角速度における前記差分成分の重みを大きくする、請求項１または２に記載の手押し車。
4. 前記制御部は、前記ブレーキ操作の操作量が大きくなるにつれて前記車輪角速度指令値の大きさを小さくする、請求項３に記載の手押し車。
5. 前記制御部は、前記手押し車の走行速度、または走行加速度が閾値以上になったとき、前記左車輪および前記右車輪の擬似角速度における前記差分成分の重みを大きくする、請求項１または２に記載の手押し車。
6. 前記制御部は、前記差分成分の大きさ、または差分成分の変化の大きさが閾値以上になったとき、前記左車輪および前記右車輪の擬似角速度における前記差分成分の重みを大きくする、請求項１または２に記載の手押し車。

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