WO2014045823A1 - 手押し車 - Google Patents

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WO2014045823A1
WO2014045823A1 PCT/JP2013/073095 JP2013073095W WO2014045823A1 WO 2014045823 A1 WO2014045823 A1 WO 2014045823A1 JP 2013073095 W JP2013073095 W JP 2013073095W WO 2014045823 A1 WO2014045823 A1 WO 2014045823A1
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main body
pitch
wheel
wheels
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PCT/JP2013/073095
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賢一 白土
滋 辻
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Murata Manufacturing Co Ltd
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    • A61H3/04—Wheeled walking aids for patients or disabled persons
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61H3/04—Wheeled walking aids for patients or disabled persons
    • A61H2003/043—Wheeled walking aids for patients or disabled persons with a drive mechanism
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    • A61H2201/5058—Sensors or detectors
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    • A61H2201/50—Control means thereof
    • A61H2201/5058—Sensors or detectors
    • A61H2201/5069—Angle sensors

Definitions

  • the present invention relates to a handcart provided with wheels for assisting walking, and more particularly to an electric handcart for driving and controlling the wheels.
  • 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.
  • a walking assist vehicle that rotates wheels with an electric motor or the like has also been developed.
  • observer control is performed to detect the tilt angle of the main body of the walk assist vehicle and maintain the posture of the walk assistant by maintaining the main body at a stable tilt angle. ing.
  • Patent Document 1 discloses a moving body that estimates an inclination angle with high accuracy via an external force observer based on an angle calculated geometrically based on detection values of two or more axes of acceleration sensors.
  • the observer adjusts the gain so that the detected value of the acceleration sensor is lowered and the detected value of the gyro sensor is increased and weighted in the longitudinal acceleration state. Therefore, when the acceleration state in the front-rear direction continues, it is necessary to estimate the tilt angle only with the detection value of the gyro sensor, and there is a problem that the estimation accuracy of the tilt angle may be significantly reduced.
  • This invention is made in view of such a situation, and it aims at providing the handcart which can estimate the inclination angle of the pitch direction of a main-body part with high precision.
  • 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.
  • control unit that controls the operation of the one or a plurality of driving units, in a handcart, an angle detection unit that detects an angle formed by the main body unit and the support unit, and detected by the angle detection unit And an angle estimating means for estimating an angle formed by the main body with respect to the vertical direction based on the angle, and controlling the operation of the main body based on the estimated angle.
  • the angle formed between the main body and the support is detected, and the angle formed by the main body with respect to the vertical direction is estimated based on the detected angle. Since the operation of the main body is controlled based on the estimated angle, even if the acceleration state in the front-rear direction continues without using an expensive tilt angle sensor, the pitch of the main body can be accurately determined.
  • the inclination angle can be estimated, and based on the estimated inclination angle in the pitch direction, the posture of the main body can be controlled so as to converge to an equilibrium angle at which the main body does not collapse.
  • the handcart according to the present invention includes a ground contact determination unit that determines whether the wheel and the auxiliary wheel are in contact with the road surface, or the wheel and the auxiliary wheel, or any one of them. It is preferable to provide.
  • the angle which a main-body part makes with respect to a perpendicular direction is estimated. Since the operation of the main body is controlled based on the estimated angle, even if the acceleration state in the front-rear direction continues without using an expensive tilt angle sensor, the pitch of the main body can be accurately determined.
  • the inclination angle can be estimated, and based on the estimated inclination angle in the pitch direction, the posture of the main body can be controlled so as to converge to an equilibrium angle at which the main body does not collapse.
  • a contact sensor using a limit switch, a non-contact sensor such as an infrared sensor, an ultrasonic sensor, or the like may be used as the ground determination unit.
  • the handcart according to the present invention includes, on the wheel and the auxiliary wheel, a ground determination unit that determines whether or not the wheel and the auxiliary wheel or one of the wheels is in contact with the road surface, and the ground determination is performed.
  • the means determines whether or not the vehicle is in contact with the road surface based on a difference between the rotational movement distance of the wheel and the rotational movement distance of the auxiliary wheel during traveling.
  • the angle formed by the main body with respect to the vertical direction is estimated. Since the operation of the main body is controlled based on the estimated angle, even if the acceleration state in the front-rear direction continues without using an expensive tilt angle sensor, the pitch of the main body can be accurately determined.
  • the inclination angle can be estimated, and based on the estimated inclination angle in the pitch direction, the posture of the main body can be controlled so as to converge to an equilibrium angle at which the main body does not collapse.
  • the handcart according to the present invention includes an encoder for detecting the rotation speed of the wheel and the rotation speed of the auxiliary wheel.
  • the number of rotations of the wheels and the number of rotations of the auxiliary wheels can be detected by the encoder, and it can be determined whether or not the vehicle is in contact with the road surface based on the difference between the respective rotational movement distances during traveling. .
  • the angle formed between the main body and the support is detected, and the angle formed by the main body with respect to the vertical direction is estimated based on the detected angle. Since the operation of the main body is controlled based on the estimated angle, even if the acceleration state in the front-rear direction continues without using an expensive tilt angle sensor, the pitch of the main body can be accurately determined.
  • the inclination angle can be estimated, and based on the estimated inclination angle in the pitch direction, the posture of the main body can be controlled so as to converge to an equilibrium angle at which the main body does not collapse.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of the handcart according to the first embodiment of the present invention.
  • a pair of wheels 2 are supported by a main body 3 so that the pair of wheels 2 can rotate, and a main body on a side opposite to a side where 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 the pair of wheels 2, and a pitch encoder 61 that detects the rotational position (angle) or rotational speed of the pitch motor 6.
  • 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.
  • a sensor for detecting the pitch angular velocity of the main body 3, for example, a gyro sensor may be provided.
  • 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 whose one end is connected to the main body part 3 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 in order to increase the stability in the roll direction.
  • another driving unit that urges the auxiliary wheel 8 in a direction in which the auxiliary wheel 8 is pressed against the road surface.
  • An elastic body such as a spring that connects the main body 3 and the support 7 may be provided.
  • 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.
  • an electric motor 9 for rotating the connecting portion between the main body portion 3 and the support portion 7 or rotating the auxiliary wheel 8 may be provided in the connecting portion between the main body portion 3 and the supporting portion 7.
  • the control board 32 may function as a control unit that controls the operation (rotation) of the electric motor 9.
  • An angle (hereinafter referred to as a crossing angle) ⁇ 1 formed between the support portion 7 and the main body portion 3 is based on an output (pulse signal) of a support portion angle encoder (angle detection means) 91 built in the electric motor 9 or arranged alone. It is detected by calculating.
  • FIG. 3 is a control block diagram illustrating an example of control for preventing the handcart 1 according to the first embodiment of the present invention from falling in the pitch direction.
  • the target pitch angle setting unit 44 accepts the setting of a pitch inclination angle (target pitch angle) ⁇ rp that is a control target.
  • the angle detector 45 detects the crossing angle ⁇ 1 which is an angle formed between the main body 3 and the support 7 from the output (pulse signal) of the support angle encoder 91.
  • the pitch inclination angle estimation unit 47 estimates an inclination angle (pitch inclination angle) ⁇ 2 in the pitch direction that the main body 3 forms with respect to the vertical direction based on the calculated intersection angle ⁇ 1.
  • 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 calculation unit 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 may be obtained by integrating the detected value of the gyro sensor when a gyro sensor or the like for detecting the pitch angular velocity of the main body 3 is provided. As time passes, the deviation from the true value increases. Therefore, in the first embodiment, the pitch inclination angle ⁇ 2 that is an angle formed by the main body 3 with respect to the vertical direction is estimated based on the intersection angle ⁇ 1 formed by the main body 3 and the support 7.
  • FIG. 4 is a schematic view of the model of the handcart 1 according to the first embodiment of the present invention as viewed from the side.
  • the ground contact position of the pair of wheels 2 and auxiliary wheels 8 and the rotation center 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 the vertical direction.
  • 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 intersection angle ⁇ 1 varies depending on an angle (pitch inclination angle) ⁇ 2 formed by the main body 3 with respect to the vertical direction. This is because the support portion 7 is inclined so as to support the main body portion 3. However, the distance L1 from the grounding position of the main body 3 (the grounding position of the pair of wheels 2) to the intersection of the main body 3 and the support 7 and the grounding position of the support 7 (the grounding position of the auxiliary wheel 8) to the main body. Since the distance L2 to the intersection of the part 3 and the support part 7 is constant, the pitch inclination angle ⁇ 2 can be estimated geometrically as long as the pair of wheels 2 and the auxiliary wheel 8 are in contact with the road surface. .
  • 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 obtained by linear approximation of 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 flowchart showing the pitch-direction overturn prevention processing procedure of the controller of the control board 32 of the handcart 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the controller of the control board 32 accepts the setting of the pitch inclination angle (target pitch angle) ⁇ rp that is a control target (step S701).
  • the controller calculates an intersection angle ⁇ 1 that is an angle formed between the main body 3 and the support portion 7 from the output (pulse signal) of the support portion angle encoder 91 (step S702).
  • the controller estimates the tilt angle (pitch tilt angle) ⁇ 2 of the main body 3 in the pitch direction (step S703).
  • the controller calculates a pitch angle deviation obtained by subtracting the estimated value of the pitch inclination angle ⁇ 2 from the target pitch angle ⁇ rp that has received the setting (step S704), and multiplies the calculated pitch angle deviation by a proportional gain to obtain a target pitch angular velocity.
  • ⁇ 2p is calculated (step S705).
  • the controller determines whether or not to generate a pitch torque command ⁇ 0p by, for example, PID control for the target pitch angular velocity ⁇ 2p in the pitch torque command generation unit 49 (step S706). 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.
  • the controller determines to generate the pitch torque command ⁇ 0p (step S706: YES)
  • the controller multiplies the generated pitch torque command ⁇ 0p by a conversion coefficient to calculate a command voltage (step S706).
  • the controller performs D / A conversion on the calculated command voltage and outputs it to the driver that controls the operation of the pitch motor 6 (step S708).
  • the controller returns the process to step S702 and repeats the above-described process.
  • step S706 determines not to generate the pitch torque command ⁇ 0p (step S706: NO)
  • the controller stops the operation control of the pitch motor 6 and ends the process.
  • the controller determines that the pitch torque command ⁇ 0p is not generated, for example, when the power is turned off during the operation control of the pitch motor 6 regardless of whether it is intentional or accident, or the user However, there may be a case where a stop input is given through a switch or the like in order to stop the operation control of the pitch motor 6.
  • the intersection angle ⁇ 1 that is the angle formed between the main body portion 3 and the support portion 7 is detected, and the main body portion 3 is moved in the vertical direction based on the detected intersection angle ⁇ 1.
  • the pitch inclination angle ⁇ 2 made with respect to is estimated. Since the operation of the main body 3 is controlled based on the estimated pitch inclination angle ⁇ 2, it is estimated with high accuracy without using an expensive inclination angle sensor and even when the acceleration state in the front-rear direction continues.
  • the posture of the main body 3 can be controlled so that the main body 3 converges to an equilibrium angle at which the main body 3 does not fall down.
  • the handcart 1 according to the second embodiment includes a pair of wheels 2 and one or a pair of auxiliary wheels 8, or a ground determination unit (ground determination unit) that determines whether one of the wheels is in contact with the road surface. This is different from the first embodiment.
  • FIG. 8 is a functional block diagram of the ground determination process of the handcart 1 according to the second embodiment of the present invention.
  • the ground determination that determines whether the pair of wheels 2 and one or the pair of auxiliary wheels 8, or one of them is in contact with the road surface.
  • a portion 46 is provided.
  • the ground contact determination unit 46 has a rotational speed detection unit that detects the rotational speeds of the pair of wheels 2 and the auxiliary wheels 8 during traveling, and is calculated based on the rotational speed, and the rotational movement distance of the pair of wheels 2 during traveling. And whether or not the road surface is grounded based on the difference between the rotational movement distance of the auxiliary wheel 8.
  • rotation speed sensors that detect the rotation speeds of the pair of wheels 2 and the auxiliary wheels 8 at the time of traveling are provided on the axles of the pair of wheels 2 and the auxiliary wheels 8 respectively.
  • the type of the rotational speed sensor is not particularly limited, but a rotary encoder is used in the second embodiment.
  • the output values of the rotary encoders (pitch encoder, auxiliary wheel encoder) provided on the axles of the pair of wheels 2 and the auxiliary wheels 8 are acquired by the counter units 41A and 41B, and the rotation angle calculating unit 42A, In 42B, the rotational movement distance of the pair of wheels 2 and the rotational movement distance of the auxiliary wheel 8 during traveling are calculated.
  • the contact determination unit 46 determines whether or not the difference between the calculated rotational movement distance of the pair of wheels 2 and the rotational movement distance of the auxiliary wheel 8 is greater than a predetermined value. When the pair of wheels 2 and the auxiliary wheels 8 are in contact with the road surface, the rotational movement distances of the pair of wheels 2 and the auxiliary wheels 8 substantially coincide with each other in a normal use state.
  • the rotation angle calculation units 42A and 42B may include an LPF (low pass filter) for removing noise.
  • the balance direction of the wheelbarrow 1 is the vertical direction. Therefore, the pair of wheels 2 are always in contact with the road surface, and it is determined whether or not the auxiliary wheel 8 is in contact with the road surface.
  • FIG. 9 is a flowchart showing the procedure of the ground determination process of the controller of the control board 32 of the handcart 1 according to the second embodiment of the present invention.
  • the controller of the control board 32 acquires the output values of the rotary encoders (pitch encoder and auxiliary wheel encoder) provided on the axles of the pair of wheels 2 and the auxiliary wheels 8 (steps).
  • steps the controller of the control board 32 acquires the output values of the rotary encoders (pitch encoder and auxiliary wheel encoder) provided on the axles of the pair of wheels 2 and the auxiliary wheels 8 (steps).
  • steps steps
  • S901 based on the number of rotations of the pair of wheels 2 and the number of rotations of the auxiliary wheels 8 during traveling, the respective rotational movement distances are calculated.
  • the controller calculates a difference between the calculated rotational movement distance of the pair of wheels 2 and the rotational movement distance of the auxiliary wheel 8 (step S902), and determines whether the calculated difference is greater than a predetermined value (step S903). .
  • the controller determines whether or not the state where the difference is larger than the predetermined value continues for a predetermined time (step S904).
  • the controller determines that the auxiliary wheel 8 is separated from the road surface (not grounded) (step S905).
  • the pitch inclination angle ⁇ 2 cannot be estimated by the method described in the first embodiment. Therefore, for example, by providing a gyro sensor or the like for detecting the angular velocity ⁇ 1p in the pitch direction of the main body 3, the pitch inclination angle ⁇ 2 is obtained by integrating the detection values of the gyro sensor as in the conventional case.
  • step S903 determines that the calculated difference is equal to or less than the predetermined value (step S903: NO), or when it is determined that the difference has not continued for the predetermined time (step S904: NO)
  • step S906 the controller places the auxiliary wheel 8 on the road surface. Judging that it is grounded (step S906), the pitch inclination angle ⁇ 2 formed by the main body 3 with respect to the vertical direction is estimated by the method described in the first embodiment.
  • step S907 determines whether or not to end the process. If the controller determines to continue the process (step S907: NO), the controller returns the process to step S901 and repeats the above-described process. . When the controller determines to end the process (step S907: YES), the process ends.
  • the ground contact determination unit 46 includes the rotational speed detection means for detecting the rotational speeds of the pair of wheels 2 and the auxiliary wheels 8 during traveling.
  • the present invention is not particularly limited to this, and the direct road surface A limit switch may be provided as the contact determination unit 46, or a distance measuring sensor for measuring the distance from the road surface may be provided so that it can be determined whether or not the vehicle is in contact with the road.
  • FIG. 10 is an exemplary diagram showing a configuration when a limit switch is provided as the ground determination unit 46 of the handcart 1 according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 10A is a schematic diagram showing a configuration when a limit switch is provided
  • FIG. 10B is a partially enlarged view showing a configuration near the auxiliary wheel 8 when a limit switch is provided.
  • the limit switch 103 is provided on the shaft (rotary shaft) 102 of the auxiliary wheel 8. As shown in FIG. A roller 104 is connected to the limit switch 103, and when the roller 104 is separated from the road surface, the switch is turned on so that the auxiliary wheel 8 can be detected to be separated from the road surface. It has become.
  • FIG. 11 is an exemplary diagram showing a configuration in the case where an infrared sensor is provided as the ground contact determination unit 46 of the handcart 1 according to the second embodiment of the present invention.
  • Fig.11 (a) is a schematic diagram which shows the structure in the case of providing an infrared sensor
  • FIG.11 (b) is the elements on larger scale which show the structure of the auxiliary wheel 8 vicinity in the case of providing an infrared sensor.
  • the infrared sensor 111 is rotatably attached to the shaft 102 of the auxiliary wheel 8 so as to be always kept horizontal by its own weight. Then, the distance to the road surface is measured, and when the measured value fluctuates beyond a predetermined value, the switch is turned on, so that it is possible to detect that the auxiliary wheel 8 has left the road surface. Yes.
  • FIG. 12 is an exemplary diagram showing a configuration in the case where an ultrasonic sensor is provided as the ground determination unit 46 of the handcart 1 according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 12A is a schematic diagram showing a configuration in the case where an ultrasonic sensor is provided
  • FIG. 12B is a partially enlarged view showing a configuration in the vicinity of the auxiliary wheel 8 in the case where an ultrasonic sensor is provided.
  • the ultrasonic sensor 121 is rotatably attached to the shaft 102 of the auxiliary wheel 8 so as to be always kept horizontal by the weight of the sensor. Then, the distance to the road surface is measured, and when the measured value fluctuates beyond a predetermined value, the switch is turned on, so that it is possible to detect that the auxiliary wheel 8 has left the road surface. Yes.
  • FIG. 13 is an exemplary diagram showing a configuration in the case where a rotary encoder is provided on the axles of the wheel 2 and the auxiliary wheel 8 of the handcart 1 according to the second embodiment of the present invention.
  • the differential values of the output values of the rotary encoder (pitch encoder) 131 provided on the axle of the wheel 2 and the rotary encoder (auxiliary wheel encoder) 132 provided on the axle of the auxiliary wheel 8 are shown. Calculate the difference. When the wheel 2 and the auxiliary wheel 8 are in contact with the road surface, the difference between the calculated differential values is theoretically “0”. Therefore, when the difference of the calculated differential value exceeds a predetermined value, the switch is turned on, so that it is possible to detect that the auxiliary wheel 8 has left the road surface.
  • FIG. 14 is an exemplary diagram showing a configuration in the case of providing a rotary encoder that detects an intersecting angle ⁇ ⁇ b> 1 formed by the main body portion 3 and the support portion 7 of the handcart 1 according to the second embodiment of the present invention.
  • a rotary encoder (supporting part angle encoder) 141 for detecting an intersecting angle ⁇ 1 formed between the main body part 3 and the supporting part 7 is provided independently at a connecting part between the main body part 3 and the supporting part 7.
  • the main body 3 can be used with high accuracy without using an expensive inclination angle sensor and even when the longitudinal acceleration state continues. 3 can be estimated, and based on the estimated pitch inclination angle ⁇ 2, the posture of the main body 3 can be controlled so that the main body 3 converges to an equilibrium angle that does not collapse.
  • the pitch motor 6 is not limited to being provided for each pair of wheels 2, and one pitch motor 6 may be provided for each wheel 2.
  • the electric motor 9 may be provided for each of the one or a plurality of auxiliary wheels 8 instead of being provided at the connecting portion between the main body portion 3 and the support portion 7.
  • positioned in the front side ie, the structure by which the main-body part 3 is arrange

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Description

手押し車
　本発明は、歩行を補助する車輪を備えた手押し車に関し、特に車輪を駆動、制御する電動手押し車に関する。
　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、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歩行補助車も開発されている。被歩行補助者の安全を確保するため、歩行補助車の本体部の傾斜角度を検出して、本体部を安定した傾斜角度に維持することで被歩行補助者の姿勢を維持するようオブザーバ制御している。
　歩行補助車の本体部の傾斜角度は、加速度センサによる傾斜角度情報と、ジャイロセンサによる角速度情報とに基づいてオブザーバを構成して推定している。例えば特許文献１では、２軸以上の加速度センサの検出値に基づいて幾何学的に算出した角度を基調として、外力オブザーバを介して高い精度で傾斜角度を推定する移動体が開示されている。
特許第４２８１７７７号公報
　特許文献１に開示してある移動体では、前後方向の加速状態では加速度センサの検出値を低めに、ジャイロセンサの検出値を高めに、それぞれ重み付けを行うようオブザーバがゲイン調整を行っている。したがって、前後方向の加速状態が継続する場合、ジャイロセンサの検出値のみで傾斜角度を推定しなければならなくなり、傾斜角度の推定精度が著しく低下するおそれがある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、高い精度で本体部のピッチ方向の傾斜角度を推算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を備える手押し車において、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、前記本体部が鉛直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、推算された角度に基づいて前記本体部の動作を制御することを特徴とする。
　上記構成では、本体部と支持部とのなす角度を検出して、検出された角度に基づいて、本体部が鉛直方向に対してなす角度を推算する。推算された角度に基づいて本体部の動作を制御するので、高価な傾斜角センサを用いることなく、また前後方向の加速状態が継続する場合であっても、高い精度で本体部のピッチ方向の傾斜角度を推算することができ、推算したピッチ方向の傾斜角度に基づいて、本体部が倒れこまない平衡角度に収束するよう本体部の姿勢を制御することが可能となる。
　また、本発明に係る手押し車は、前記車輪及び前記補助輪、又はいずれか一方が路面に接地しているか否かを判断する接地判断手段を、前記車輪及び前記補助輪、又はいずれか一方に備えることが好ましい。
　上記構成では、車輪及び補助輪、又はいずれか一方が路面に接地しているか否かを判断することができるので、車輪及び補助輪、又はいずれか一方が路面に接地していることを確認した上で、本体部が鉛直方向に対してなす角度を推算する。推算された角度に基づいて本体部の動作を制御するので、高価な傾斜角センサを用いることなく、また前後方向の加速状態が継続する場合であっても、高い精度で本体部のピッチ方向の傾斜角度を推算することができ、推算したピッチ方向の傾斜角度に基づいて、本体部が倒れこまない平衡角度に収束するよう本体部の姿勢を制御することが可能となる。なお、接地判断手段としては、例えばリミットスイッチを用いる接触式センサ、赤外線センサ、超音波センサ等の非接触式センサ等を用いれば良い。
　また、本発明に係る手押し車は、前記車輪及び前記補助輪、又はいずれか一方が路面に接地しているか否かを判断する接地判断手段を、前記車輪及び前記補助輪に備え、前記接地判断手段は、走行時における前記車輪の回転移動距離と前記補助輪の回転移動距離との差分に基づいて路面に接地しているか否かを判断することが好ましい。
　上記構成では、走行時における車輪の回転移動距離と補助輪の回転移動距離との差分に基づいて路面に接地しているか否かを判断することができるので、車輪及び補助輪又はいずれか一方が路面に接地していることを確認した上で、本体部が鉛直方向に対してなす角度を推算する。推算された角度に基づいて本体部の動作を制御するので、高価な傾斜角センサを用いることなく、また前後方向の加速状態が継続する場合であっても、高い精度で本体部のピッチ方向の傾斜角度を推算することができ、推算したピッチ方向の傾斜角度に基づいて、本体部が倒れこまない平衡角度に収束するよう本体部の姿勢を制御することが可能となる。
　また、本発明に係る手押し車は、前記車輪の回転数及び前記補助輪の回転数を検出するエンコーダをそれぞれ備えることが好ましい。
　上記構成では、車輪の回転数及び補助輪の回転数をエンコーダで検出することができ、走行時におけるそれぞれの回転移動距離の差分に基づいて路面に接地しているか否かを判断することができる。
　上記構成によれば、本体部と支持部とのなす角度を検出して、検出された角度に基づいて、本体部が鉛直方向に対してなす角度を推算する。推算された角度に基づいて本体部の動作を制御するので、高価な傾斜角センサを用いることなく、また前後方向の加速状態が継続する場合であっても、高い精度で本体部のピッチ方向の傾斜角度を推算することができ、推算したピッチ方向の傾斜角度に基づいて、本体部が倒れこまない平衡角度に収束するよう本体部の姿勢を制御することが可能となる。
本発明の実施の形態１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１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１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一次近似したグラフである。 本発明の実施の形態１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２に係る手押し車の接地判断処理の機能ブロック図である。 本発明の実施の形態２に係る手押し車の制御基板のコントローラの接地判断処理の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る手押し車の、接地判断部としてリミットスイッチを設ける場合の構成を示す例示図である。 本発明の実施の形態２に係る手押し車の、接地判断部として赤外線センサを設ける場合の構成を示す例示図である。 本発明の実施の形態２に係る手押し車の、接地判断部として超音波センサを設ける場合の構成を示す例示図である。 本発明の実施の形態２に係る手押し車の、車輪及び補助輪の車軸にロータリーエンコーダを設ける場合の構成を示す例示図である。 本発明の実施の形態２に係る手押し車の、本体部と支持部とのなす交差角度を検出するロータリーエンコーダを設ける場合の構成を示す例示図である。
　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。
　（実施の形態１）
　図１は、本発明の実施の形態１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１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。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に戻って、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、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６１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。また、本体部３のピッチ角速度を検出するセンサ、例えばジャイロセンサを備えていても良い。
　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１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、一つの補助輪８を備えていても良いし、ロール方向の安定度を高めるために一対の補助輪８を備えていても良い。また、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補助輪８が路面から離れるのを防止するべく、補助輪８を路面に対して押し付ける方向に付勢する他の駆動部、本体部３と支持部７とを連結するバネ等の弾性体を設けても良い。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。
　なお、本体部３と支持部７との連結部分を回転させる、又は補助輪８を回転させる電動モータ９を、本体部３と支持部７との連結部分に備えていても良い。この場合には、制御基板３２を電動モータ９の動作（回転）を制御する制御部として機能させれば良い。支持部７と本体部３とのなす角度（以下、交差角度）θ１は、電動モータ９に内蔵された又は単独で配置された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１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、制御目標となるピッチ傾斜角度（目標ピッチ角）θrpの設定を受け付ける。
　一方、角度検出部４５では、支持部角度エンコーダ９１の出力（パルス信号）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を算出することにより検出する。ピッチ傾斜角度推算部４７では、算出された交差角度θ１に基づいて、本体部３が鉛直方向に対してなす、ピッチ方向の傾斜角度（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出する検出手段を備えている場合には、目標ピッチ角速度ω2pと該検出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。ピッチ傾斜角度θ２は、本体部３のピッチ角速度を検出するジャイロセンサ等を備えている場合には、ジャイロセンサの検出値を積分して求めても良いが、ノイズ、温度ドリフト等により、時間が経過するにつれて真の値との乖離が大きくなる。そこで、本実施の形態１では、本体部３と支持部７とのなす交差角度θ１に基づいて、本体部３が鉛直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１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の路面へ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、鉛直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が鉛直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（一対の車輪２の接地位置）から本体部３と支持部７との交点までの距離Ｌ１、及び支持部７の接地位置（補助輪８の接地位置）から本体部３と支持部７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が路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１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１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との関係を一次近似したグラフである。
　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。
　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７は、本発明の実施の形態１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防止処理手順を示すフローチャートである。
　図７に示すように制御基板３２のコントローラは、制御目標となるピッチ傾斜角度（目標ピッチ角）θrpの設定を受け付ける（ステップＳ７０１）。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）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（ステップＳ７０２）。
　コントローラは、算出された交差角度θ１に基づいて、本体部３のピッチ方向の傾斜角度（ピッチ傾斜角度）θ２を推算する（ステップＳ７０３）。コントローラは、設定を受け付けた目標ピッチ角θrpからピッチ傾斜角度θ２の推算値を減じたピッチ角度偏差を算出し（ステップＳ７０４）、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Ｓ７０５）。
　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Ｓ７０６）。何らかの理由によってピッチ用モータ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Ｓ７０６：ＹＥＳ）、コントローラは、生成され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Ｓ７０７）。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出力する（ステップＳ７０８）。コントローラは、処理をステップＳ７０２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Ｓ７０６：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場合、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１によれば、本体部３と支持部７とのなす角度である交差角度θ１を検出して、検出された交差角度θ１に基づいて、本体部３が鉛直方向に対してなすピッチ傾斜角度θ２を推算する。推算されたピッチ傾斜角度θ２に基づいて本体部３の動作を制御するので、高価な傾斜角センサを用いることなく、また前後方向の加速状態が継続する場合であっても、高い精度で推算した本体部３のピッチ傾斜角度θ２に基づいて、本体部３が倒れこまない平衡角度に収束するよう、本体部３の姿勢を制御することが可能となる。
　（実施の形態２）
　本実施の形態２に係る手押し車１の構成は、実施の形態１と同様であることから、同一の符号を付することにより詳細な説明は省略する。本実施の形態２に係る手押し車１は、一対の車輪２及び一又は一対の補助輪８、若しくはいずれか一方が路面に接地しているか否かを判断する接地判断部（接地判断手段）を備えている点で、実施の形態１と相違する。
　図８は、本発明の実施の形態２に係る手押し車１の接地判断処理の機能ブロック図である。図８に示すように、本実施の形態２に係る手押し車１では、一対の車輪２及び一又は一対の補助輪８、若しくはいずれか一方が路面に接地しているか否かを判断する接地判断部４６を備えている。接地判断部４６は、走行時における一対の車輪２及び補助輪８の回転数を検出する回転数検出手段を有し、回転数に基づいて算出した、走行時における一対の車輪２の回転移動距離と補助輪８の回転移動距離との差分に基づいて路面に接地しているか否かを判断する。本実施の形態２では、回転数検出手段として、走行時における一対の車輪２及び補助輪８の回転数を検出する回転数センサを、一対の車輪２の車軸、補助輪８の車軸にそれぞれ備えている。回転数センサの種類は特に限定されるものではないが、本実施の形態２ではロータリーエンコーダを用いている。
　一対の車輪２の車軸、補助輪８の車軸に設けられているロータリーエンコーダ（ピッチ用エンコーダ、補助輪用エンコーダ）のそれぞれの出力値をカウンタ部４１Ａ、４１Ｂにおいて取得し、回転角度計算部４２Ａ、４２Ｂにおいて走行時における一対の車輪２の回転移動距離と補助輪８の回転移動距離とが算出される。接地判断部４６では、算出された一対の車輪２の回転移動距離と補助輪８の回転移動距離との差分が所定値より大きいか否かを判断している。一対の車輪２及び補助輪８が路面に接地している場合、通常の使用状態であれば一対の車輪２及び補助輪８の回転移動距離は略一致する。しかし、いずれかが路面に接地していない場合、一対の車輪２及び補助輪８の回転移動距離は一致しない。したがって、一対の車輪２の回転移動距離と補助輪８の回転移動距離とを比較することにより、路面に接地しているか否かを判断することができる。なお、回転角度計算部４２Ａ、４２Ｂには、ノイズを除去するためのＬＰＦ（ローパスフィルタ）を備えていても良い。
　また、本実施の形態２では、手押し車１の釣合い方向を鉛直方向としている。したがって、一対の車輪２は常に路面に接地している状態であり、補助輪８が路面に接地しているか否かを判断することになる。
　図９は、本発明の実施の形態２に係る手押し車１の制御基板３２のコントローラの接地判断処理の手順を示すフローチャートである。図９において、制御基板３２のコントローラは、一対の車輪２の車軸、補助輪８の車軸に設けられているロータリーエンコーダ（ピッチ用エンコーダ、補助輪用エンコーダ）のそれぞれの出力値を取得し（ステップＳ９０１）、走行時における一対の車輪２の回転数及び補助輪８の回転数に基づいて、それぞれの回転移動距離を算出する。
　コントローラは、算出した一対の車輪２の回転移動距離と補助輪８の回転移動距離との差分を算出し（ステップＳ９０２）、算出した差分が所定値より大きいか否かを判断する（ステップＳ９０３）。コントローラが、算出した差分が所定値より大きいと判断した場合（ステップＳ９０３：ＹＥＳ）、コントローラは、差分が所定値より大きい状態が所定時間継続しているか否かを判断する（ステップＳ９０４）。コントローラが、所定時間継続していると判断した場合（ステップＳ９０４：ＹＥＳ）、コントローラは、補助輪８が路面から離れている（接地していない）と判断する（ステップＳ９０５）。
　補助輪８が路面から離れている場合、実施の形態１に記載の方法では、ピッチ傾斜角度θ２を推算することはできない。したがって、例えば本体部３のピッチ方向の角速度ω1pを検出するジャイロセンサ等を備えておくことにより、従来と同様、ジャイロセンサの検出値を積分してピッチ傾斜角度θ２を求める。
　コントローラが、算出した差分が所定値以下であると判断した場合（ステップＳ９０３：ＮＯ）、又は所定時間継続していないと判断した場合（ステップＳ９０４：ＮＯ）、コントローラは、補助輪８が路面に接地していると判断し（ステップＳ９０６）、実施の形態１に記載した方法で、本体部３が鉛直方向に対してなすピッチ傾斜角度θ２を推算する。
　コントローラは、処理を終了するか否かを判断し（ステップＳ９０７）、コントローラが、処理を継続すると判断した場合（ステップＳ９０７：ＮＯ）、コントローラは、処理をステップＳ９０１へ戻して上述した処理を繰り返す。コントローラが、処理を終了すると判断した場合（ステップＳ９０７：ＹＥＳ）、処理を終了する。
　上述した実施例では、接地判断部４６が走行時における一対の車輪２及び補助輪８の回転数を検出する回転数検出手段を備えているが、特にこれに限定されるものではなく、直接路面に接地しているか否かを判断することができるよう、接地判断部４６としてリミットスイッチを設けても良いし、路面との距離を計測する測距センサを設けても良い。
　図１０は、本発明の実施の形態２に係る手押し車１の、接地判断部４６としてリミットスイッチを設ける場合の構成を示す例示図である。図１０（ａ）は、リミットスイッチを設ける場合の構成を示す模式図であり、図１０（ｂ）は、リミットスイッチを設ける場合の補助輪８近傍の構成を示す部分拡大図である。
　図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、リミットスイッチ１０３は、補助輪８のシャフト（回転軸）１０２に設けてある。そして、リミットスイッチ１０３にはコロ１０４が連結してあり、コロ１０４が路面から離れた場合にスイッチがオン状態となることで、補助輪８が路面から離れたことを検知することができるようになっている。
　また、接地判断部４６は、リミットスイッチ１０３のような接触式センサに限定されるものでもない。図１１は、本発明の実施の形態２に係る手押し車１の、接地判断部４６として赤外線センサを設ける場合の構成を示す例示図である。図１１（ａ）は、赤外線センサを設ける場合の構成を示す模式図であり、図１１（ｂ）は、赤外線センサを設ける場合の補助輪８近傍の構成を示す部分拡大図である。
　図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、赤外線センサ１１１は、センサの自重により常に水平を維持するよう、補助輪８のシャフト１０２に回転可能に取りつけられている。そして、路面との距離を測定し、測定値が所定値を超えて変動した場合にスイッチがオン状態となることで、補助輪８が路面から離れたことを検知することができるようになっている。
　また、赤外線センサ１１１の代わりに超音波センサを設けても良い。図１２は、本発明の実施の形態２に係る手押し車１の、接地判断部４６として超音波センサを設ける場合の構成を示す例示図である。図１２（ａ）は、超音波センサを設ける場合の構成を示す模式図であり、図１２（ｂ）は、超音波センサを設ける場合の補助輪８近傍の構成を示す部分拡大図である。
　図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示すように、超音波センサ１２１は、センサの自重により常に水平を維持するよう、補助輪８のシャフト１０２に回転可能に取りつけられている。そして、路面との距離を測定し、測定値が所定値を超えて変動した場合にスイッチがオン状態となることで、補助輪８が路面から離れたことを検知することができるようになっている。
　もちろん、従来と同様、ロータリーエンコーダを設けても良い。図１３は、本発明の実施の形態２に係る手押し車１の、車輪２及び補助輪８の車軸にロータリーエンコーダを設ける場合の構成を示す例示図である。
　図１３に示すように、車輪２の車軸に設けたロータリーエンコーダ（ピッチ用エンコーダ）１３１、補助輪８の車軸に設けたロータリーエンコーダ（補助輪用エンコーダ）１３２の、それぞれの出力値の微分値の差分を算出する。車輪２及び補助輪８が路面に接地している場合には、算出した微分値の差分は理論上‘０’である。したがって、算出した微分値の差分が所定値を超えた場合にスイッチがオン状態となることで、補助輪８が路面から離れたことを検知することができるようになっている。
　同様に本体部３と支持部７とのなす角度である交差角度θ１を検出するロータリーエンコーダを設け、補助輪８が接地しているか否かの判断に用いても良い。図１４は、本発明の実施の形態２に係る手押し車１の、本体部３と支持部７とのなす交差角度θ１を検出するロータリーエンコーダを設ける場合の構成を示す例示図である。
　図１４に示すように、本体部３と支持部７との連結部分に、両者のなす交差角度θ１を検出するロータリーエンコーダ（支持部角度エンコーダ）１４１が単独で配置されて設けられている。ロータリーエンコーダ１４１の出力値の微分値を算出することで、算出した微分値が所定値を超えた場合に大きな変動、すなわち補助輪８が路面から離れたこと、あるいは路面に接地したことを検知することができるようになっている。
　以上のように本実施の形態２によれば、車輪２及び補助輪８、又はいずれか一方が路面に接地しているか否かを判断することができるので、車輪２及び補助輪８、又はいずれか一方が路面に接地していることを確認した上で、本体部３が鉛直方向に対してなすピッチ傾斜角度θ２を推算する。推算されたピッチ傾斜角度θ２に基づいて本体部３の動作を制御するので、高価な傾斜角センサを用いることなく、また前後方向の加速状態が継続する場合であっても、高い精度で本体部３のピッチ傾斜角度θ２を推算することができ、推算したピッチ傾斜角度θ２に基づいて、本体部３が倒れこまない平衡角度に収束するよう本体部３の姿勢を制御することが可能となる。
　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２ごとに１個ずつピッチ用モータ６を設けても良い。また、電動モータ９も、本体部３と支持部７との連結部分に備えるのではなく、一又は複数の補助輪８ごとに備えても良い。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。
　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
　９　電動モータ
　１０　支点
　３１　フレーム
　３２　制御基板（制御部）
　３３　電池
　４１Ａ、４１Ｂ　カウンタ部
　４２Ａ、４２Ｂ　回転角度計算部
　４４　目標ピッチ角設定部
　４５　角度検出部（角度検出手段）
　４６　接地判断部（接地判断手段）
　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
　６１　ピッチ用エンコーダ
　９１　支持部角度エンコーダ（角度検出手段）

Claims (4)

  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
    　を備える手押し車において、
    　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、前記本体部が鉛直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、推算された角度に基づいて前記本体部の動作を制御することを特徴とする手押し車。
  2. 　前記車輪及び前記補助輪、又はいずれか一方が路面に接地しているか否かを判断する接地判断手段を、前記車輪及び前記補助輪、又はいずれか一方に備えることを特徴とする請求項１に記載の手押し車。
  3. 　前記車輪及び前記補助輪、又はいずれか一方が路面に接地しているか否かを判断する接地判断手段を、前記車輪及び前記補助輪に備え、
    　前記接地判断手段は、走行時における前記車輪の回転移動距離と前記補助輪の回転移動距離との差分に基づいて路面に接地しているか否かを判断することを特徴とする請求項１に記載の手押し車。
  4. 　前記車輪の回転数及び前記補助輪の回転数を検出するエンコーダをそれぞれ備えることを特徴とする請求項３に記載の手押し車。
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