WO2014045821A1 - 手押し車 - Google Patents

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angle
main body
correction value
pitch
handcart
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賢一 白土
滋 辻
昌幸 久保
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株式会社村田製作所
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    • A61H2201/5069—Angle sensors

Definitions

  • the present invention relates to a wheelbarrow that can prevent falling in the pitch direction.
  • walking assistance vehicles have been developed as devices for assisting walking of the elderly and disabled persons.
  • Conventional walking assistance vehicles are often composed of four or eight wheels to prevent falling during walking, and the stability during walking is reduced by lowering the center of gravity of the walking assistance vehicle with a carry bag or the like. Is increasing.
  • walking aid vehicles equipped with oil dampers on the wheel axle have been developed for the purpose of preventing the user from falling over on slopes with slopes such as slopes that exceed the user's expectations.
  • an oil damper whose resistance increases according to the rotation speed of the rotation shaft is fixed to the wheel, and the rotation shaft is connected to the wheel shaft, so that the rotation of the wheel can be braked.
  • a walking assistance vehicle is disclosed that is configured so as to be less likely to speed up.
  • the walking auxiliary vehicle disclosed in Patent Document 1 has an oil damper whose resistance increases according to the rotation speed of the rotation shaft fixed to the wheel, and the rotation shaft and the wheel shaft are connected. Sometimes the oil damper can prevent the vehicle body from moving forward and can be used safely. On the other hand, since the deterring force always acts on the rotation of the wheel by the oil damper even when traveling on flat ground, it is a problem that the user can not move without applying more force than necessary under constant load. There was a point.
  • This invention is made in view of such a situation, and even if it is a case where a grounding surface has a gradient, the walk assistant can provide a handcart which can adjust a balance direction by one's sense. With the goal.
  • a handcart includes a pair of wheels, one or a plurality of drive units for rotating the pair of wheels, and a main body unit on which the pair of wheels are rotatably supported.
  • a gripping portion provided on the other side of the main body, and a support for rotatably supporting one or a pair of auxiliary wheels on the other side, connected to the main body so as to be rotatable in the pitch direction on one side.
  • the angle detection means for detecting the angle formed by the main body part and the support part, the control part for controlling the operation of the one or more drive parts, Angle estimating means for estimating an angle formed by the main body portion with respect to a direction orthogonal to the ground plane, and an angle formed by the main body portion with respect to a direction orthogonal to the ground plane is estimated by the angle estimating means.
  • the target of the inclination angle in the pitch direction of the main body The wheelbarrow that controls the operation of the main body unit to achieve a certain target pitch angle has a correction value input receiving unit that receives an input of a correction value for correcting the target pitch angle, and is corrected by the correction value received.
  • the posture of the main body portion in the pitch direction is controlled based on the target pitch angle.
  • the ground plane has a gradient.
  • the walk assistant can change the target pitch angle to be the balance direction of the main body with his / her own sense. For example, when an input of a correction value is received so that the target pitch angle is shifted to the side closer to the walk assistant, that is, the main body part, the target pitch angle can be “moved while applying the brake” and the walk assistant Even if it leans on the gripping part, the main body part does not move forward without permission, and stable walking can be realized.
  • the main body when an input of a correction value is received so that the main body part shifts the target pitch angle away from the walk assistant, that is, forward, the main body functions to pull the walk assistant. Further, by changing the correction value according to the preference of the walking assistant, it is possible to adjust the degree of braking and the braking force that pulls the main body. Therefore, a comfortable operation feeling can be obtained for the walk assistant.
  • the correction value input receiving unit includes an operation unit capable of rotating around a central axis of a portion gripped by the gripping unit.
  • the walking assistant can rotate the operation part while gripping the gripping part, thereby
  • the balance direction can be adjusted according to the slope of the movement, and it becomes possible to walk stably without causing a sense of incongruity in the operation.
  • the correction value input receiving means includes an operation unit in which a plurality of buttons are arranged in the vicinity of a portion gripped by the gripping unit.
  • the balance direction can be adjusted according to the gradient of the ground plane in a short operation time, It becomes possible to walk stably without feeling uncomfortable.
  • the correction value input receiving unit receives an input of the correction value in an external terminal.
  • the balance direction can be adjusted in advance according to the slope of the road to be walked, and the operation can be stably walked without causing a sense of incongruity. Is possible.
  • the correction value input receiving means receives the correction value input step by step.
  • the input of correction values is received step by step, so the balance direction can be adjusted according to the slope of the ground plane with a simple operation, and it is possible to walk stably without causing a sense of incongruity in the operation. It becomes possible.
  • the input of the correction value of the target pitch angle is received, and the posture in the pitch direction of the main body is controlled based on the target pitch angle corrected with the input correction value.
  • the walk assistant can change the target pitch angle to be the balance direction of the main body with his / her own sense. For example, when an input of a correction value is received so that the target pitch angle is shifted to the side closer to the walk assistant, that is, the main body part, the target pitch angle can be “moved while applying the brake” and the walk assistant Even if it leans on the gripping part, the main body part does not move forward without permission, and stable walking can be realized.
  • the main body when an input of a correction value is received so that the main body part shifts the target pitch angle away from the walk assistant, that is, forward, the main body functions to pull the walk assistant. Further, by changing the correction value according to the preference of the walking assistant, it is possible to adjust the degree of braking and the braking force that pulls the main body. Therefore, a comfortable operation feeling can be obtained for the walk assistant.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a handcart according to an embodiment of the present invention.
  • a pair of wheels 2 is supported on one end (one side) of the main body 3 so that the pair of wheels 2 can rotate, and is opposite to the side on which the pair of wheels 2 are supported.
  • the grip portion 4 is not necessarily provided at one end, and may be provided in the middle of the main body portion 3.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the pitch direction, the roll direction, and the yaw direction.
  • the rotation direction around the y axis is the pitch direction. It is.
  • the wheel 2 rotates counterclockwise facing the (+) direction of the y-axis, the main body 3 tilts forward, and when the wheel 2 rotates clockwise toward the (+) direction of the y-axis The main body 3 is inclined backward.
  • the rotation direction around the x axis is the roll direction, and is the rotation direction when the main body 3 swings in the left-right direction. Furthermore, the rotation direction around the z axis is the yaw direction, and is the rotation direction when the direction of the pair of wheels 2 is tilted from the x axis direction.
  • the main body 3 includes a pitch motor (drive unit) 6 that rotates a pair of wheels 2.
  • the main body 3 and the pair of wheels 2 are connected by a frame 31 that rotatably supports the pair of wheels 2, and the pitch motor 6 is rotated by a belt or gear (not shown) provided in the main body 3. Via the pair of wheels 2.
  • the frame 31 is a part of the main body 3.
  • the main body 3 includes a control board (control unit) 32 and a battery 33 for controlling the operation (rotation) of the pitch motor 6.
  • a driver On the control board 32, a driver, an A / D converter, a D / A converter, a counter, a controller for controlling the operation of the pitch motor 6, and the like are mounted.
  • the controller is a microprocessor, CPU, LSI or the like.
  • the handcart 1 is controlled so as to balance in the pitch direction by using the reaction torque accompanying the rotation of the pair of wheels 2.
  • the handcart 1 includes auxiliary wheels 8 in order to increase the stability of the walking assistant during walking.
  • the auxiliary wheel 8 is supported so as to be able to rotate at the other end of the support part 7 connected to the main body part 3 at one end so as to be able to rotate in the pitch direction.
  • one auxiliary wheel 8 may be provided, or a pair of auxiliary wheels 8 may be provided to increase the stability in the roll direction.
  • the support portion 7 does not necessarily have one end connected to the main body portion 3, and an intermediate portion of the support portion 7 may be connected to the main body portion 3.
  • the auxiliary wheel 8 does not necessarily have to be supported by the other end of the support portion 7 and is supported by an intermediate portion of the support portion 7 as long as the other end of the support portion 7 is not in contact with the ground. May be.
  • the position of the fulcrum 10 that is the rotation center of the support part 7 is not particularly limited as long as it is within the main body part 3. This is because it is sufficient if the main body 3 can be prevented from falling.
  • the angle (hereinafter referred to as the crossing angle) ⁇ 1 formed by the support portion 7 and the main body portion 3 is detected by calculating from the output (pulse signal) of the support portion angle encoder (angle detection means) 91. .
  • FIG. 3 is a control block diagram illustrating an example of control for preventing the wheelbarrow 1 from falling over in the pitch direction according to the embodiment of the present invention.
  • the target pitch angle setting unit 44 accepts the setting of the target pitch angle ⁇ rp that is the target of the tilt angle of the main body unit 3 in the pitch direction.
  • the correction value input receiving unit 46 receives an input of the shift amount of the target pitch angle ⁇ rp that has been set by the target pitch angle setting unit 44.
  • the angle detection unit 45 calculates a crossing angle ⁇ 1 that is an angle formed by the main body unit 3 and the support unit 7 from the angle in the pitch direction that is the output of the support unit angle encoder 91.
  • a pitch inclination angle estimation unit (angle estimation means) 47 estimates an inclination angle (pitch inclination angle) ⁇ 2 that is an angle formed by the main body 3 with respect to a direction orthogonal to the ground plane based on the calculated intersection angle ⁇ 1. To do.
  • the target pitch angular velocity calculation unit 48 calculates the target pitch angular velocity ⁇ 2p by multiplying the pitch angle deviation obtained by subtracting the absolute inclination angle estimated from the target pitch angle ⁇ rp for which the setting has been received, by a proportional gain.
  • the pitch torque command generator 49 generates a pitch torque command ⁇ 0p for the calculated target pitch angular velocity ⁇ 2p by, for example, PID control.
  • the pitch motor torque command voltage calculator 50 multiplies the pitch torque command ⁇ 0p by a conversion coefficient to calculate a command voltage.
  • the pitch D / A converter unit 51 outputs a command voltage obtained by D / A conversion to the driver, and controls the operation of the pitch motor 6.
  • the pitch torque command generation unit 49 includes a detection unit that detects an angular velocity in the pitch direction of the main body 3 such as a gyro sensor, the target pitch angular velocity ⁇ 2p and the pitch obtained from the detection unit are included.
  • a pitch torque command ⁇ 0p may be generated by PID control, for example.
  • the pitch inclination angle ⁇ 2 based on the crossing angle ⁇ 1 that is the angle between the main body 3 and the support portion 7, the pitch inclination angle ⁇ 2 that is the angle that the main body 3 makes with the direction orthogonal to the ground plane is estimated. .
  • FIG. 4 is a schematic view of a model of the handcart 1 according to the embodiment of the present invention as seen from the side.
  • the ground contact positions of the pair of wheels 2 and auxiliary wheels 8 and the rotation centers of the pair of wheels 2 and auxiliary wheels 8 are schematically represented.
  • the main body 3 is inclined so as to form a pitch inclination angle ⁇ 2 with respect to a direction orthogonal to the ground contact surface.
  • the support part 7 supports the main-body part 3 by inclining so that the crossing angle (theta) 1 may be made with the main-body part 3.
  • the crossing angle ⁇ 1 varies depending on an angle (pitch inclination angle) ⁇ 2 formed by the main body 3 with respect to a direction orthogonal to the ground contact surface. This is because the support portion 7 is inclined so as to support the main body portion 3. However, since the distance L1 from the ground contact position of the main body 3 to the intersection with the support 7 and the distance L2 from the ground contact position of the support 7 to the intersection with the main body 3 are constant, the pair of wheels 2 and the auxiliary As long as the wheel 8 is in contact with the ground contact surface, the pitch inclination angle ⁇ 2 can be estimated geometrically.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the intersection angle ⁇ 1 and the pitch inclination angle ⁇ 2.
  • distance L2 1.2 ⁇ distance L1.
  • the pitch inclination angle ⁇ 2 fluctuates greatly in a portion where the crossing angle ⁇ 1 is small, but actually, when the crossing angle ⁇ 1 is too small, a sense of stability during walking is lacking.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the intersection angle ⁇ 1 and the pitch inclination angle ⁇ 2 when the intersection angle ⁇ 1 varies between 20 degrees and 50 degrees.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the ground contact state of the handcart 1 when the ground contact surface has a slope.
  • the ground contact surface of the handcart 1 is an uphill having a gradient of the inclination angle ⁇ ⁇ b> 3.
  • the correction value input receiving unit 46 receives an input of the correction value ⁇ as the shift amount of the target pitch angle ⁇ rp received by the target pitch angle setting unit 44.
  • the method for accepting the input of the correction value ⁇ is not particularly limited.
  • an operation unit capable of rotating around the central axis of the gripped portion 4 may be provided at both ends, and an input of the correction value ⁇ may be received according to the rotation angle of the operation unit.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing the configuration of the grip portion 4 of the handcart 1 according to the embodiment of the present invention.
  • operation parts 401 and 402 that can rotate around the central axis of the gripping part of the gripping part 4 are provided at both ends, and a rotation angle sensor 403 that detects the rotation angle respectively, for example, A potentiometer is provided.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing another configuration of the grip portion 4 of the handcart 1 according to the embodiment of the present invention.
  • an operation unit 900 in which a plurality of buttons, for example, three buttons 901, 902, and 903 are arranged in the vicinity of a portion gripped by the grip unit 4 is provided.
  • the button 901 is a button for shifting the target pitch angle to the side where the main body unit 3 moves away from the walk assistant, that is, forward.
  • the button 902 is a button for resetting to the initial target pitch angle
  • the button 903 is a button for shifting the target pitch angle toward the side where the main body unit 3 approaches the walking assistant, that is, backward. It is.
  • the walk assistant selects either the button 901 or the button 903 according to the gradient of the ground plane, so that the shift amount of the target pitch angle can be set at a certain rate only while the button is pressed.
  • Increase or decrease that is, input of the correction value ⁇ can be received in stages, and the walking assistant can adjust the balance direction according to the gradient of the ground plane.
  • the button 902 for resetting to the initial target pitch angle can be replaced by an operation of simultaneously pressing the button 901 and the button 903 and is not essential.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing another configuration of the grip portion 4 of the handcart 1 according to the embodiment of the present invention.
  • an operation unit 100 is provided at both ends in which a rotation switch 101 capable of accepting an input of a correction value ⁇ stepwise is arranged in the vicinity of the gripped portion 4.
  • the rotary switch 101 can be switched in three steps: shifting the target pitch angle forward by a certain angle, not shifting the target pitch angle, and shifting the target pitch angle backward by a certain angle.
  • the shift amount of the target pitch angle may be increased or decreased at a constant rate according to the time during which the rotary switch 101 stays at each rotational position. That is, it suffices to accept the input of the correction value ⁇ step by step.
  • the intermediate position of the rotation switch 101 may be assigned to the function of maintaining the corrected shift amount of the target pitch angle.
  • the walk assistant can accept the input of the correction value ⁇ step by step by switching the rotation switch 101, and the walk assistant can adjust the balance direction according to the gradient of the ground plane. Can do.
  • FIG. 11 is a flowchart showing a processing procedure for preventing the controller of the control board 32 of the handcart 1 according to the embodiment of the present invention from falling in the pitch direction.
  • the controller of the control board 32 accepts the setting of the target pitch angle ⁇ rp as a control target (step S1101).
  • the controller receives an input of a correction value ⁇ for correcting the target pitch angle ⁇ rp (step S1102), and adds / subtracts the correction value ⁇ received to the target pitch angle ⁇ rp for which the setting has been received, thereby adding the target pitch angle ⁇ rp. Is corrected (step S1103).
  • the controller calculates an intersection angle ⁇ 1 that is an angle formed by the main body portion 3 and the support portion 7 (step S1104), and based on the calculated intersection angle ⁇ 1, the main body portion. 3 is estimated (step S1105).
  • the controller calculates a difference between the estimated pitch inclination angle ⁇ 2 and the corrected target pitch angle ⁇ rp as a pitch angle deviation (step S1106), and multiplies the calculated pitch angle deviation by a proportional gain to obtain a target pitch angular velocity.
  • ⁇ 2p is calculated (step S1107).
  • the controller determines whether or not to generate a pitch torque command ⁇ 0p for the target pitch angular velocity ⁇ 2p by, for example, PID control (step S1108). When it is necessary to stop the operation control of the pitch motor 6 for some reason, it is determined that the pitch torque command ⁇ 0p is not generated.
  • step S1108: YES When the controller determines to generate the pitch torque command ⁇ 0p (step S1108: YES), the controller multiplies the generated pitch torque command ⁇ 0p by a conversion coefficient to calculate a command voltage (step S1108: YES). S1109).
  • the controller D / A converts the calculated command voltage and outputs the D / A converted command voltage to the driver that controls the operation of the pitch motor 6 (step S1110).
  • the controller returns the process to step S1101 and repeats the above-described process.
  • step S1108 NO
  • the controller stops the operation control of the pitch motor 6 and ends the process.
  • the command (output of command voltage) to the pitch D / A converter unit 51 is stopped, so that the operation control of the pitch motor 6 is stopped.
  • the controller determines that the pitch torque command ⁇ 0p is not generated, for example, whether it is intentional or an accident, the power is turned off during the operation control of the pitch motor 6, or the user A case where a stop input is given via a switch or the like in order to stop the operation control of the pitch motor 6 can be considered.
  • the embodiment as described above receives the input of the correction value ⁇ to correct the target pitch angle theta rp, based on the modified target pitch angle theta rp Fixed value ⁇ that has received the input, the main body portion 3 in the pitch direction, the target pitch angle ⁇ to be used as the balance direction of the main body 3 regardless of whether the contact surface has a gradient or the contact surface is horizontal.
  • the walking assistant can change the rp with his own sense.
  • the main body 3 can “move while applying the brake”, Even if the person to be walked leans against the grip part 4, the main body part 3 does not move forward without permission, and a stable walk can be realized.
  • the main body unit 3 shifts the target pitch angle ⁇ rp away from the walk assistant, that is, forward, the main body unit 3 pulls the walk assistant. To do. Further, by changing the correction value ⁇ according to the preference of the walking assistant, it is possible to adjust the degree of braking and the braking force that pulls the main body 3. Therefore, a comfortable operation feeling can be obtained for the walk assistant.
  • the pitch motor 6 is not limited to being provided for each pair of wheels 2, and one pitch motor may be provided for each wheel.
  • positioned in the front side ie, the structure by which the main-body part 3 is arrange
  • the input of the correction value ⁇ may be received by an external terminal.
  • the “external terminal” means a terminal that can accept input with a key (button), a touch panel, or the like regardless of wired / wireless. Of course, it is not limited to this, For example, the terminal which receives an input with the specific phrase of the voice which a person utters by voice recognition may be sufficient.

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Abstract

　接地面が勾配を有する場合であっても、被歩行補助者が自分の感覚で釣合い方向を調整することができる手押し車を提供する。　本発明に係る手押し車は、一対の車輪と、該一対の車輪を回転させる一又は複数の駆動部と、一方に一対の車輪が回転可能に支持される本体部と、本体部の他方に設けられている把持部と、一方にてピッチ方向に回転可能に本体部と連結してあり、他方にて一又は一対の補助輪を回転可能に支持する支持部とを備える。本体部と支持部とのなす角度を検出し、検出された角度に基づいて、本体部が接地面に直交する方向に対してなす角度を推算する。目標ピッチ角を修正する修正値の入力を受け付け、入力を受け付けた修正値により修正された目標ピッチ角に基づいて、本体部のピッチ方向の姿勢を制御する。

Description

手押し車
　本発明は、ピッチ方向への転倒を防止することができる手押し車に関する。
　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、歩行中の転倒を防止するよう、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て歩行補助車の重心を下げることにより、歩行中の安定度を高めている。
　また、坂道等の勾配のある斜面において、使用者の予想を超えた速度が出ることにより使用者が転倒することを防止する目的で、オイルダンパーを車輪軸に備えた歩行補助車も開発されている。例えば特許文献１には、回転軸の回転速度に応じて抵抗が増すようなオイルダンパーが車輪に固定されており、回転軸は車輪軸に接続されているので、車輪の回転を制動することができ、速度が出にくいように構成された歩行補助車が開示されている。
特開２００２－２８２３１４号公報
　特許文献１に開示されている歩行補助車は、回転軸の回転速度に応じて抵抗が増すオイルダンパーを車輪に固定し、回転軸と車輪軸とが接続されているので、下り坂を走行する時にはオイルダンパーにより車体だけが前に進むことを抑制することができ、安全に使用できる。一方で、平地を走行する時にも常時オイルダンパーにより車輪の回転に抑止力が働くので、使用者にとっては常に負荷がかかった状態で、必要以上に力を加えないと移動することができないという問題点があった。
　本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、接地面が勾配を有する場合であっても、被歩行補助者が自分の感覚で釣合い方向を調整することができる手押し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手押し車は、一対の車輪と、該一対の車輪を回転させる一又は複数の駆動部と、一方に前記一対の車輪が回転可能に支持される本体部と、前記本体部の他方に設けられている把持部と、一方にてピッチ方向に回転可能に前記本体部と連結してあり、他方にて一又は一対の補助輪を回転可能に支持する支持部と、前記一又は複数の駆動部の動作を制御する制御部と、前記本体部と前記支持部とのなす角度を検出する角度検出手段と、該角度検出手段で検出された角度に基づいて、前記本体部が接地面に直交する方向に対してなす角度を推算する角度推算手段とを備え、該角度推算手段により推算された前記本体部が接地面に直交する方向に対してなす角度が、前記本体部のピッチ方向の傾斜角度の目標である目標ピッチ角になるよう前記本体部の動作を制御する手押し車において、前記目標ピッチ角を修正する修正値の入力を受け付ける修正値入力受付手段を備え、入力を受け付けた修正値により修正された前記目標ピッチ角に基づいて、前記本体部のピッチ方向の姿勢を制御することを特徴とする。
　上記構成では、目標ピッチ角の修正値の入力を受け付け、入力を受け付けた修正値で修正された目標ピッチ角に基づいて、本体部のピッチ方向の姿勢を制御するので、接地面が勾配を有している場合であっても、接地面が水平な場合であっても、本体部の釣合い方向とするべき目標ピッチ角を被歩行補助者が自分の感覚で変動させることができる。例えば目標ピッチ角を、本体部がより被歩行補助者に近づく側、すなわち後方へシフトするよう修正値の入力を受け付けた場合、「ブレーキを利かせながら移動する」ことができ、被歩行補助者が把持部にもたれたとしても本体部が勝手に前に進むことがなく、安定した歩行を実現できる。一方、目標ピッチ角を、本体部が被歩行補助者から遠ざかる側、すなわち前方へシフトするよう修正値の入力を受け付けた場合、本体部が被歩行補助者を牽引する働きをする。また、修正値を被歩行補助者の好みに応じて変えることでブレーキの利き具合や本体部を牽引する制動力を調節することができる。したがって、被歩行補助者にとって快適な操作感を得ることができる。
　また、本発明に係る手押し車は、前記修正値入力受付手段は、前記把持部の把持する部分の中心軸周りに回転することが可能な操作部を備えることが好ましい。
　上記構成では、把持部の把持する部分の中心軸周りに回転することが可能な操作部を備えることにより、被歩行補助者は、把持部を把持しながら操作部を回転させることで、接地面の勾配に応じて釣合い方向を調整することができ、操作に違和感が生じることなく安定して歩行することが可能となる。
　また、本発明に係る手押し車は、前記修正値入力受付手段は、前記把持部の把持する部分の近傍に、複数のボタンを配置した操作部を備えることが好ましい。
　上記構成では、把持部の把持する部分の近傍に、複数のボタンを配置した操作部を備えることにより、短い操作時間で、接地面の勾配に応じて釣合い方向を調整することができ、操作に違和感が生じることなく安定して歩行することが可能となる。
　また、本発明に係る手押し車は、前記修正値入力受付手段は、外部端末において前記修正値の入力を受け付けることが好ましい。
　上記構成では、外部端末において修正値の入力を受け付けることにより、歩行する予定の道路の勾配に応じて事前に釣合い方向を調整することができ、操作に違和感が生じることなく安定して歩行することが可能となる。
　また、本発明に係る手押し車は、前記修正値入力受付手段は、段階的に前記修正値の入力を受け付けることが好ましい。
　上記構成では、段階的に修正値の入力を受け付けるので、簡単な操作で、接地面の勾配に応じて釣合い方向を調整することができ、操作に違和感が生じることなく安定して歩行することが可能となる。
　上記構成によれば、目標ピッチ角の修正値の入力を受け付け、入力を受け付けた修正値で修正された目標ピッチ角に基づいて、本体部のピッチ方向の姿勢を制御するので、接地面が勾配を有している場合であっても、接地面が水平な場合であっても、本体部の釣合い方向とするべき目標ピッチ角を被歩行補助者が自分の感覚で変動させることができる。例えば目標ピッチ角を、本体部がより被歩行補助者に近づく側、すなわち後方へシフトするよう修正値の入力を受け付けた場合、「ブレーキを利かせながら移動する」ことができ、被歩行補助者が把持部にもたれたとしても本体部が勝手に前に進むことがなく、安定した歩行を実現できる。一方、目標ピッチ角を、本体部が被歩行補助者から遠ざかる側、すなわち前方へシフトするよう修正値の入力を受け付けた場合、本体部が被歩行補助者を牽引する働きをする。また、修正値を被歩行補助者の好みに応じて変えることでブレーキの利き具合や本体部を牽引する制動力を調節することができる。したがって、被歩行補助者にとって快適な操作感を得ることができる。
本発明の実施の形態に係る手押し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。 本発明の実施の形態に係る手押し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。 本発明の実施の形態に係る手押し車のモデルを側面から見た模式図である。 交差角度とピッチ傾斜角度との関係を示すグラフである。 交差角度が２０度から５０度までの間で変動する場合の交差角度とピッチ傾斜角度との関係を示すグラフである。 接地面が勾配を有する場合の、手押し車の接地状態を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る手押し車の把持部の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る手押し車の把持部の他の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る手押し車の把持部の他の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る手押し車の制御基板のコントローラのピッチ方向の転倒を防止する処理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手押し車について、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手押し車の構成を示す斜視図である。本実施の形態に係る手押し車１は、一対の車輪２が、回転することが可能に本体部３の一端（一方）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（他方）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。なお、把持部４は、必ずしも一端に設けられている必要はなく、本体部３の途中に設けられていても良い。
　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、手押し車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車輪２が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車輪２が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、一対の車輪２を回転させるピッチ用モータ（駆動部）６を備える。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に備えたベルト又はギヤ（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。
　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（制御部）３２及び電池３３を備えている。制御基板３２には、ドライバ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、カウンタ、ピッチ用モータ６の動作を制御する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。手押し車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されている。
　また、本実施の形態に係る手押し車１は、被歩行補助者の歩行中の安定度を高めるために、補助輪８を備えている。補助輪８は、ピッチ方向に回転することが可能に一端にて本体部３と連結してある支持部７の他端にて、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を備えていて良いし、ロール方向の安定度を高めるために一対の補助輪８を備えていても良い。なお、支持部７は、必ずしも一端が本体部３に連結している必要はなく、支持部７の中間部分が本体部３に連結していても良い。また、補助輪８は、必ずしも支持部７の他端で支持されている必要はなく、支持部７の他端が地面に接することがない範囲内であれば、支持部７の中間部分で支持されていても良い。
　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。
　本実施の形態では、支持部７と本体部３とのなす角度（以下、交差角度）θ１は、支持部角度エンコーダ（角度検出手段）９１の出力（パルス信号）から算出することにより検出される。
　図３は、本発明の実施の形態に係る手押し車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、目標ピッチ角設定部４４では、本体部３のピッチ方向の傾斜角度の目標である目標ピッチ角θrpの設定を受け付ける。修正値入力受付部４６では、目標ピッチ角設定部４４で設定を受け付けた目標ピッチ角θrpのシフト量の入力を受け付ける。具体的には、シフト量として修正値Δθの入力を受け付け、目標ピッチ角θrpに入力を受け付けた修正値Δθを加減算することにより、修正された目標ピッチ角θrpを求めることができる（θrp＝θrp±Δθ）。
　一方、角度検出部４５では、支持部角度エンコーダ９１の出力であるピッチ方向の角度から、本体部３と支持部７とのなす角度である交差角度θ１を算出する。
　ピッチ傾斜角度推算部（角度推算手段）４７では、算出された交差角度θ１に基づいて、本体部３が接地面に直交する方向に対してなす角度である傾斜角度（ピッチ傾斜角度）θ２を推算する。
　目標ピッチ角速度計算部４８では、設定を受け付けた目標ピッチ角θrpから推算された絶対傾斜角度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ω2pを算出する。ピッチ用トルク指令生成部４９では、算出された目標ピッチ角速度ω2pに対して、例えばＰＩＤ制御によりピッチ用トルク指令τ0p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τ0p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Ｄ／Ａコンバータ部５１では、ドライバにＤ／Ａ変換した指令電圧を出力し、ピッチ用モータ６の動作を制御する。また、ピッチ用トルク指令生成部４９において、ジャイロセンサ等、本体部３のピッチ方向の角速度を検知する検知手段を備えている場合には、目標ピッチ角速度ω2pと該検知手段から得られたピッチ角速度との偏差に対して、例えばＰＩＤ制御によりピッチ用トルク指令τ0pを生成しても良い。
　ここで、ピッチ傾斜角度θ２を推算する方法について、以下に説明する。本実施の形態では、本体部３と支持部７とのなす角度である交差角度θ１に基づいて、本体部３が接地面に直交する方向に対してなす角度であるピッチ傾斜角度θ２を推算する。
　図４は、本発明の実施の形態に係る手押し車１のモデルを側面から見た模式図である。図４では、説明を簡単にするために、一対の車輪２及び補助輪８の接地位置と一対の車輪２及び補助輪８の回転中心とが一致するよう模式的に表現してある。
　図４に示すように、本体部３は、接地面に直交する方向に対してピッチ傾斜角度θ２をなすように傾斜している。そして、支持部７は、本体部３と交差角度θ１をなすように傾斜することにより、本体部３を支持する。図４では、左向きの矢印方向が手押し車１の前進方向であり、本体部３が後方へ傾斜した状態を示している。　
　交差角度θ１は、本体部３が接地面に直交する方向に対してなす角度（ピッチ傾斜角度）θ２に依存して変動する。これは、支持部７が本体部３を支持するよう傾斜するからである。しかし、本体部３の接地位置から支持部７との交点までの距離Ｌ１、及び支持部７の接地位置から本体部３との交点までの距離Ｌ２は一定であるので、一対の車輪２及び補助輪８が接地面に接地している限り、幾何学的にピッチ傾斜角度θ２を推算することができる。
　すなわち、図４より（式１）の関係を導き出すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　（式１）をピッチ傾斜角度θ２について解くと、（式２）のようにピッチ傾斜角度θ２を求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　しかし、（式２）に基づくピッチ傾斜角度θ２の算出方法は、三角関数を用いていることから演算処理負荷が比較的大きく、算出するまでに時間を要するので、リアルタイム性が求められる姿勢制御には向かない。そこで、本実施の形態では、交差角度θ１とピッチ傾斜角度θ２との関係を一次近似することにより、演算処理負荷を軽減して算出するまでに要する時間を短縮している。
　図５は、交差角度θ１とピッチ傾斜角度θ２との関係を示すグラフである。図５では、距離Ｌ２＝１．２×距離Ｌ１としている。図５に示すように、交差角度θ１が小さい部分ではピッチ傾斜角度θ２が大きく変動しているが、実際には、交差角度θ１が小さすぎると歩行中の安定感を欠く。
　そこで、本実施の形態では、交差角度θ１が、２０度から５０度までの間で変動すると仮定することにより、交差角度θ１とピッチ傾斜角度θ２との関係を一次近似しやすくしている。図６は、交差角度θ１が２０度から５０度までの間で変動する場合の交差角度θ１とピッチ傾斜角度θ２との関係を示すグラフである。
　図６に示すように、交差角度θ１とピッチ傾斜角度θ２との関係を一次近似することにより、例えばθ２＝１．００９×θ１－３４．８７という一次関数を得ることができ、精度を低下させることなくピッチ傾斜角度θ２を推算することができる。
　図７は、接地面が勾配を有する場合の、手押し車１の接地状態を示す模式図である。図７では、手押し車１の接地面は、傾斜角度θ３の勾配を有する上り坂である。
　この場合、上述した方法でピッチ傾斜角度θ２を推算しても、手押し車１の釣合い方向とはならず、後方へシフトする。そこで、本実施の形態では、被歩行補助者が自分の感覚で釣合い方向を調整することにより、接地面が勾配を有する場合であっても安定した倒立二輪走行を実現することができる。そのために、修正値入力受付部４６により、目標ピッチ角設定部４４で設定を受け付けた目標ピッチ角θrpのシフト量として修正値Δθの入力を受け付ける。
　修正値Δθの入力の受付方法は、特に限定されるものではない。例えば、把持部４の把持する部分の中心軸周りに回転することが可能な操作部を両端に備え、操作部の回転角度に応じて修正値Δθの入力を受け付けても良い。図８は、本発明の実施の形態に係る手押し車１の把持部４の構成を示す模式図である。
　図８に示すように、把持部４の把持する部分の中心軸周りに回転することが可能な操作部４０１、４０２を両端に備えており、それぞれに回転角度を検出する回転角センサ４０３、例えばポテンショメータ等を備えている。
　回転角センサ４０３からの出力値に基づいて、操作部４０１、４０２がどの方向へ何度回転したのかを検出し、検出された回転方向及び回転角度に応じて、修正値Δθ及び加算、減算のいずれかを決定する。
　もちろん、把持部４の把持する部分の中心軸周りに回転することが可能な操作部４０１、４０２を備えることに限定されるものではなく、把持部４の把持する部分の近傍に、複数のボタンを配置した操作部を備えていても良い。図９は、本発明の実施の形態に係る手押し車１の把持部４の他の構成を示す模式図である。
　図９の例では、把持部４の把持する部分の近傍に、複数のボタン、例えば３つのボタン９０１、９０２、９０３を配置した操作部９００を備えている。ボタン９０１は、目標ピッチ角を、本体部３が被歩行補助者から遠ざかる側、すなわち前方へシフトさせるためのボタンである。同様に、ボタン９０２は、初期の目標ピッチ角にリセットするためのボタンであり、ボタン９０３は、目標ピッチ角を、本体部３が被歩行補助者へ近づく側、すなわち後方へシフトさせるためのボタンである。
　このように、被歩行補助者がボタン９０１又はボタン９０３のいずれかを接地面の勾配に応じて選択することにより、ボタンが押されている間のみ、一定の割合で目標ピッチ角のシフト量を増減させる、すなわち段階的に修正値Δθの入力を受け付けることができ、被歩行補助者は、接地面の勾配に応じて釣合い方向を調整することができる。なお、初期の目標ピッチ角にリセットするためのボタン９０２は、ボタン９０１とボタン９０３とを同時に押す操作で代用することも可能であり、必須ではないことは言うまでもない。
　また、図１０は、本発明の実施の形態に係る手押し車１の把持部４の他の構成を示す模式図である。図１０の例では、把持部４の把持する部分の近傍に、段階的に修正値Δθの入力を受け付けることが可能な回転スイッチ１０１を配置した操作部１００を両端に備えている。回転スイッチ１０１は、目標ピッチ角を一定の角度前方へシフトさせる、目標ピッチ角をシフトさせない、目標ピッチ角を一定の角度後方へシフトさせる、の３段階で切り換えることができる。また、ボタン９０１及びボタン９０３と同様に、回転スイッチ１０１が各回転位置に留まる時間に応じて一定の割合で目標ピッチ角のシフト量を増減させても良い。すなわち、段階的に修正値Δθの入力を受け付ければ良い。この場合、回転スイッチ１０１の中間位置を、修正された目標ピッチ角のシフト量を維持する機能に割り当てれば良い。
　このように、被歩行補助者が回転スイッチ１０１を切り換えることにより、段階的に修正値Δθの入力を受け付けることができ、被歩行補助者は、接地面の勾配に応じて釣合い方向を調整することができる。
　もちろん、段階的に修正値Δθの入力を受け付けることに限定されるものではなく、回転スイッチ１０１の回転角度に応じて修正値Δθの入力を受け付けるようにしても良い。
　次に、図３の制御ブロック図で示した手押し車１の動作制御の一例について、フロ－チャートに基づいて説明する。図１１は、本発明の実施の形態に係る手押し車１の制御基板３２のコントローラのピッチ方向の転倒を防止する処理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、制御目標となる目標ピッチ角θrpの設定を受け付ける（ステップＳ１１０１）。コントローラは、目標ピッチ角θrpを修正する修正値Δθの入力を受け付け（ステップＳ１１０２）、設定を受け付けた目標ピッチ角θrpに入力を受け付けた修正値Δθを加減算することにより目標ピッチ角θrpを修正する（ステップＳ１１０３）。
　コントローラは、支持部角度エンコーダ９１の出力に基づいて、本体部３と支持部７とのなす角度である交差角度θ１を算出し（ステップＳ１１０４）、算出された交差角度θ１に基づいて、本体部３のピッチ傾斜角度θ２を推算する（ステップＳ１１０５）。コントローラは、推算されたピッチ傾斜角度θ２と修正された目標ピッチ角θrpとの差分をピッチ角度偏差として算出し（ステップＳ１１０６）、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ω2pを算出する（ステップＳ１１０７）。
　コントローラは、ピッチ用トルク指令生成部４９において、目標ピッチ角速度ω2pに対して、例えばＰＩＤ制御によりピッチ用トルク指令τ0pを生成するか否かを判断する（ステップＳ１１０８）。何らかの理由によりピッチ用モータ６の動作制御を停止する必要がある場合には、ピッチ用トルク指令τ0pを生成しないと判断する。
　コントローラが、ピッチ用トルク指令τ0pを生成すると判断した場合（ステップＳ１１０８：ＹＥＳ）、コントローラは、生成したピッチ用トルク指令τ0pに対して、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、ピッチ用モータ６の動作を制御するドライバにＤ／Ａ変換した指令電圧を出力する（ステップＳ１１１０）。コントローラは、処理をステップＳ１１０１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τ0pを生成しないと判断した場合（ステップＳ１１０８：ＮＯ）、コントローラは、ピッチ用モータ６の動作制御を停止して処理を終了する。これにより、ピッチ用Ｄ／Ａコンバータ部５１への指令（指令電圧の出力）が停止されるため、ピッチ用モータ６の動作制御は停止する。コントローラが、ピッチ用トルク指令τ0pを生成しないと判断する場合としては、例えば故意であるか、事故であるかを問わず、ピッチ用モータ６の動作制御中に電源が切れた、あるいはユーザがピッチ用モータ６の動作制御を停止するためにスイッチ等を介して停止入力を与えた場合等が考えられる。
　以上のように本実施の形態によれば、目標ピッチ角θrpを修正する修正値Δθの入力を受け付け、入力を受け付けた修正値Δθで修正された目標ピッチ角θrpに基づいて、本体部３のピッチ方向の姿勢を制御するので、接地面が勾配を有している場合であっても、接地面が水平な場合であっても、本体部３の釣合い方向とするべき目標ピッチ角θrpを被歩行補助者が自分の感覚で変動させることができる。例えば目標ピッチ角θrpを、本体部３がより被歩行補助者に近づく側、すなわち後方へシフトするよう修正値Δθの入力を受け付けた場合、「ブレーキを利かせながら移動する」ことができ、被歩行補助者が把持部４にもたれたとしても本体部３が勝手に前に進むことがなく、安定した歩行を実現できる。一方、目標ピッチ角θrpを、本体部３が被歩行補助者から遠ざかる側、すなわち前方へシフトするよう修正値Δθの入力を受け付けた場合、本体部３が被歩行補助者を牽引する働きをする。また、修正値Δθを被歩行補助者の好みに応じて変えることでブレーキの利き具合や本体部３を牽引する制動力を調節することができる。したがって、被歩行補助者にとって快適な操作感を得ることができる。
　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。また、支持部７が前方側に配置される構成、すなわち支持部７と被歩行補助者との間に本体部３が配置される構成であっても良い。この場合、前方、後方等の表現は、適宜読みかえれば良い。
　また、修正値Δθの入力を、外部端末において受け付けるようにしても良い。「外部端末」とは、有線／無線を問わず、キー（ボタン）、タッチパネル等で入力を受け付けることができる端末を意味する。もちろん、これに限定されるものではなく、例えば音声認識により人が発する音声の特定のフレーズによって入力を受け付ける端末であっても良い。
　１　手押し車
　２　車輪
　３　本体部
　４　把持部
　６　ピッチ用モータ（駆動部）
　７　支持部
　８　補助輪
　１０　支点
　３１　フレーム
　３２　制御基板（制御部）
　３３　電池
　４４　目標ピッチ角設定部
　４５　角度検出部
　４６　修正値入力受付部
　４７　ピッチ傾斜角度推算部（角度推算手段）
　４８　目標ピッチ角速度計算部
　４９　ピッチ用トルク指令生成部
　５０　ピッチ用モータトルク指令電圧計算部
　５１　ピッチ用Ｄ／Ａコンバータ部
　９１　支持部角度エンコーダ（角度検出手段）
　１００、４０１、４０２、９００　操作部

Claims (5)

  1. 　一対の車輪と、
    　該一対の車輪を回転させる一又は複数の駆動部と、
    　一方に前記一対の車輪が回転可能に支持される本体部と、
    　前記本体部の他方に設けられている把持部と、
    　一方にてピッチ方向に回転可能に前記本体部と連結してあり、他方にて一又は一対の補助輪を回転可能に支持する支持部と、
    　前記一又は複数の駆動部の動作を制御する制御部と、
    　前記本体部と前記支持部とのなす角度を検出する角度検出手段と、
    　該角度検出手段で検出された角度に基づいて、前記本体部が接地面に直交する方向に対してなす角度を推算する角度推算手段と
    　を備え、該角度推算手段により推算された前記本体部が接地面に直交する方向に対してなす角度が、前記本体部のピッチ方向の傾斜角度の目標である目標ピッチ角になるよう前記本体部の動作を制御する手押し車において、
    　前記目標ピッチ角を修正する修正値の入力を受け付ける修正値入力受付手段を備え、
    　入力を受け付けた修正値により修正された前記目標ピッチ角に基づいて、前記本体部のピッチ方向の姿勢を制御することを特徴とする手押し車。
  2. 　前記修正値入力受付手段は、前記把持部の把持する部分の中心軸周りに回転することが可能な操作部を備えることを特徴とする請求項１に記載の手押し車。
  3. 　前記修正値入力受付手段は、前記把持部の把持する部分の近傍に、複数のボタンを配置した操作部を備えることを特徴とする請求項１に記載の手押し車。
  4. 　前記修正値入力受付手段は、外部端末において前記修正値の入力を受け付けることを特徴とする請求項１に記載の手押し車。
  5. 　前記修正値入力受付手段は、段階的に前記修正値の入力を受け付けることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の手押し車。
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