WO2014045955A1 - 手押し車 - Google Patents

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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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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 configured with four or eight wheels to prevent falls during walking, and by providing a carry bag or the like to lower the center of gravity of the walking assistance vehicle, a sense of stability during walking is provided. 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 conventional walking assistance vehicle including the moving body disclosed in Patent Document 1 is premised on the inverted pendulum control.
  • the ground contact surface is horizontal.
  • a ground contact surface having a gradient such as an uphill or a down slope is different from a ground contact surface in which the balance direction is horizontal. For this reason, there is a problem that the walking assistant feels uncomfortable on the ground contact surface having a slope.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and controls the posture of the main body so as to be able to walk without impairing stability even when approaching a sloped ground contact surface.
  • An object is to provide a wheelbarrow capable of.
  • a handcart includes a pair of wheels, one or a plurality of drive units that rotate the pair of wheels, and a main body unit that supports the pair of wheels so that the pair of wheels can rotate. And a gripping portion provided at one end of the main body on the side opposite to the side on which the pair of wheels are supported, and connected to the main body so as to be rotatable in the pitch direction at one end.
  • a support unit that supports one or a pair of auxiliary wheels that can rotate at the other end; and a control unit that controls the operation of the one or more drive units.
  • a crossing angle detecting means for detecting a crossing angle formed by the support part, and an inclination angle at which the main body part is inclined with respect to a direction orthogonal to the ground plane based on the crossing angle detected by the crossing angle detecting means.
  • Inclination angle estimation means to estimate the A gradient angle calculating means for calculating a gradient angle, and controlling a posture of the main body in the pitch direction by estimating a pitch inclination angle with respect to a vertical direction based on the estimated inclination angle and the calculated gradient angle. It is characterized by.
  • the intersection angle formed by the main body portion and the support portion is detected, and the inclination angle at which the main body portion is inclined with respect to the direction orthogonal to the ground plane is estimated based on the detected intersection angle.
  • the pitch slope angle with respect to the vertical direction is estimated based on the estimated slope angle and the calculated slope angle, and the posture of the main body in the pitch direction is controlled, thereby Even if has a gradient, it is possible to correct the balance direction of the main body according to the gradient angle.
  • the gradient angle calculation means calculates a gradient angle for every predetermined time.
  • the gradient angle calculation unit calculates an average value of the gradient angles calculated within a predetermined time as the gradient angle.
  • the balance direction of the main body can be corrected without sensitively reacting to the presence or absence of fine irregularities on the ground plane. .
  • the crossing angle formed by the main body and the support is detected, and based on the detected crossing angle, the tilt angle at which the main body tilts with respect to the direction orthogonal to the ground plane is estimated.
  • the pitch slope angle with respect to the vertical direction is estimated based on the estimated slope angle and the calculated slope angle, and the posture of the main body in the pitch direction is controlled, thereby Even if has a gradient, it is possible to correct the balance direction of the main body according to the gradient angle.
  • 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 by a main body 3 so that the wheel 2 can rotate, and a main body on the side opposite to the side where the pair of wheels 2 are supported.
  • An elderly person, a handicapped person or the like who is a walking assistant grips the grip portion 4 provided at one end of the foot 3 and walks.
  • 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.
  • a pitch motor drive unit
  • a pitch encoder 61 that detects the rotational position (angle) or rotational speed of the pitch motor 6.
  • the inclination angle (hereinafter referred to as the inclination angle) of the main body 3 from the vertical direction is detected by the inclination angle sensor 5.
  • an acceleration sensor is used as the tilt angle sensor.
  • it is estimated from the inclination angle ⁇ 4 from the vertical direction of the main body 3 detected by the inclination angle sensor 5 and the angle (hereinafter referred to as the crossing angle) ⁇ 1 formed by the support 7 and the main body 3 described later.
  • the balance direction of the main body 3 can be corrected in consideration of the gradient of the ground plane by correcting the absolute tilt angle, which is the pitch tilt angle with respect to the vertical direction, based on the gradient angle ⁇ 3 of the ground plane.
  • 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 enhance the sense of 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 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 need 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. Also good.
  • 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 (not shown) for rotating the connecting portion between the main body portion 3 and the support portion 7 or rotating the auxiliary wheel 8 is provided at the connecting portion between the main body portion 3 and the supporting portion 7.
  • the control board 32 controls the operation (rotation) of the electric motor.
  • An angle (hereinafter referred to as a crossing angle) ⁇ 1 formed by the support portion 7 and the main body portion 3 is detected by calculating from an output (pulse signal) of a support portion angle encoder 91 built in the electric motor.
  • 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 as a control target.
  • the angle detection unit 45 the angle output in the pitch direction of the support unit angle encoder 91 is acquired by a counter, and the angle formed between the main body unit 3 and the support unit 7 based on the acquired angle output in the pitch direction.
  • the intersection angle ⁇ 1 is calculated.
  • the pitch inclination angle estimation unit 47 estimates an inclination angle (pitch inclination angle) ⁇ 2 at which the main body part 3 is inclined with respect to a direction orthogonal to the ground plane based on the calculated intersection angle ⁇ 1.
  • the absolute inclination angle estimation unit 43 estimates an absolute inclination angle that is a pitch inclination angle with respect to the vertical direction based on the estimated pitch inclination angle ⁇ 2 and the calculated ground surface inclination angle ⁇ 3. Thereby, the balance direction of the main-body part 3 can be correct
  • 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.
  • FIG. 4 is a schematic view of a model of the handcart 1 according to the embodiment of the present invention as viewed 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 pitch inclination angle ⁇ 2 at which the main body 3 is inclined with respect to the direction orthogonal to the ground plane is estimated based on the intersection angle ⁇ 1 formed by the main body 3 and the support 7.
  • the angle formed by the main body 3 with respect to the vertical direction is the pitch inclination angle ⁇ 2.
  • 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 ground.
  • 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 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 with a gradient angle ⁇ 3.
  • the pitch inclination angle ⁇ 2 is estimated by the above-described method and the posture of the main body 3 is controlled, the vertical direction does not become the balance direction of the main body 3, and the main body 3 is inclined in the backward direction. It takes. Therefore, even if the ground contact surface has a slope, in order not to impair the feeling of use for the walking assistant, the absolute inclination angle is corrected by the slope angle ⁇ 3 of the ground contact surface, and the balance direction of the main body 3 is changed. It is necessary to correct.
  • the balance direction of the main body 3 can be corrected according to the slope angle of the ground contact surface, and stable inverted two-wheel traveling Can be realized.
  • an inexpensive tilt angle sensor often erroneously detects horizontal and vertical acceleration components as a tilt angle in principle.
  • High-accuracy tilt angle sensors are expensive.
  • the average value of values acquired at a certain time interval is used instead of the instantaneous value, and high-frequency components are removed with a low-pass filter. It is preferable to devise such as using the value after the adjustment.
  • the average value of the gradient angles detected within a certain time can be used as the gradient angle ⁇ 3 of the ground contact surface, and the balance direction of the main body 3 is not sensitive to the presence or absence of fine irregularities on the ground contact surface. Can be corrected.
  • the value obtained by filtering the output value of the inclination angle sensor 5 with a low-pass filter is differentiated, and the gradient change occurs when the derivative value is equal to or less than a predetermined threshold value. What is necessary is just to correct
  • FIG. 8 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 embodiment of the present invention.
  • the controller of the control board 32 accepts the setting of the target pitch angle ⁇ rp as a control target (step S801).
  • the controller acquires the angle output in the pitch direction of the support portion angle encoder 91 with a counter, and calculates the intersection angle ⁇ 1 that is an angle formed by the main body portion 3 and the support portion 7 based on the acquired angle output in the pitch direction. (Step S802).
  • the controller estimates an inclination angle (pitch inclination angle) ⁇ 2 of the main body 3 in the pitch direction based on the calculated intersection angle ⁇ 1 (step S803).
  • the controller acquires the inclination angle ⁇ 4 from the vertical direction of the main body 3 detected by the inclination angle sensor 5 (step S804), calculates the difference from the estimated pitch inclination angle ⁇ 2, and the gradient of the ground plane The angle ⁇ 3 is calculated (step S805).
  • the controller estimates an absolute inclination angle that is a pitch inclination angle with respect to the vertical direction (step S806), and the target that has received the setting.
  • a pitch angle deviation obtained by subtracting the absolute tilt angle estimated from the pitch angle ⁇ rp is calculated (step S807). Thereby, the balance direction of the main-body part 3 can be correct
  • the controller multiplies the calculated pitch angle deviation by a proportional gain to calculate a target pitch angular velocity ⁇ 2p (step S808).
  • 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 in the pitch torque command generation unit 49 (step S809). When it is necessary to stop the operation control 6, it is determined that the pitch torque command ⁇ 0p is not generated.
  • step S809 When the controller determines to generate the pitch torque command ⁇ 0p (step S809: YES), the controller multiplies the generated pitch torque command ⁇ 0p by a conversion coefficient to calculate a command voltage (step S810). ). 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 S811). The controller returns the process to step S802 and repeats the above-described process.
  • step S809 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 ground contact surface has a gradient by correcting the estimated absolute inclination angle and correcting the balance direction of the main body 3 based on the calculated gradient angle ⁇ 3. Even if it exists, it becomes possible to control the attitude
  • 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.
  • the electric motor 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.

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Abstract

　勾配のある接地面に差し掛かった場合であっても、安定感を損なうことなく歩行することができるよう、本体部の姿勢を制御することが可能な手押し車を提供する。　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、一対の車輪を回転することが可能に支持する本体部と、一対の車輪が支持されている側とは反対側の、本体部の一端に設けられている把持部と、一端にてピッチ方向に回転することが可能に本体部と連結してあり、他端にて一又は一対の補助輪を回転することが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交差角度を検出し、検出された交差角度に基づいて、本体部が接地面に直交する方向に対して傾斜する傾斜角度を推算する。接地面の勾配角度を算出し、推算した傾斜角度と算出した勾配角度とに基づいて、鉛直方向に対するピッチ傾斜角度を推算して、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、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、歩行中の安定感を高めている。
　また、老人、身障者等の歩行を補助するべく、電動モータ等で車輪を回転させる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を含めて、従来の歩行補助車は、倒立振子制御を前提としている。つまり、接地面が水平であることを前提としているが、上り坂、下り坂といった勾配を有する接地面では、釣合い方向が水平な接地面とは相違する。そのため、勾配を有する接地面では、被歩行補助者が操作に違和感を覚え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、勾配のある接地面に差し掛かった場合であっても、安定感を損なうことなく歩行することができるよう、本体部の姿勢を制御することが可能な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、前記一対の車輪を回転することが可能に支持する本体部と、前記一対の車輪が支持されている側とは反対側の、前記本体部の一端に設けられている把持部と、一端にてピッチ方向に回転することが可能に前記本体部と連結してあり、他端にて一又は一対の補助輪を回転することが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交差角度を検出する交差角度検出手段と、該交差角度検出手段で検出された交差角度に基づいて、前記本体部が接地面に直交する方向に対して傾斜する傾斜角度を推算する傾斜角度推算手段と、接地面の勾配角度を算出する勾配角度算出手段とを備え、推算した傾斜角度と算出した勾配角度とに基づいて、鉛直方向に対するピッチ傾斜角度を推算して、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、本体部と支持部とのなす交差角度を検出して、検出された交差角度に基づいて、本体部が接地面に直交する方向に対して傾斜する傾斜角度を推算する。接地面の勾配角度を算出して、推算した傾斜角度と算出した勾配角度とに基づいて、鉛直方向に対するピッチ傾斜角度を推算して、本体部のピッチ方向の姿勢を制御することにより、接地面が勾配を有する場合であっても、勾配角度に応じて本体部の釣合い方向を補正することが可能となる。
　また、本発明に係る手押し車は、前記勾配角度算出手段が、一定時間ごとの勾配角度を算出することが好ましい。
　上記構成では、一定時間ごとの勾配角度を算出することで、接地面の勾配の変化を一定時間ごとに把握することができ、都度本体部の釣合い方向を補正することが可能となる。
　また、本発明に係る手押し車は、前記勾配角度算出手段が、一定時間内に算出された勾配角度の平均値を勾配角度として算出することが好ましい。
　上記構成では、接地面の勾配の変化を平均値で把握することができるので、接地面の細かい凹凸の存在等に過敏に反応することなく、本体部の釣合い方向を補正することが可能となる。
　上記構成によれば、本体部と支持部とのなす交差角度を検出して、検出された交差角度に基づいて、本体部が接地面に直交する方向に対して傾斜する傾斜角度を推算する。接地面の勾配角度を算出して、推算した傾斜角度と算出した勾配角度とに基づいて、鉛直方向に対するピッチ傾斜角度を推算して、本体部のピッチ方向の姿勢を制御することにより、接地面が勾配を有する場合であっても、勾配角度に応じて本体部の釣合い方向を補正することが可能となる。
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一次近似したグラフである。 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。
　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（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の鉛直方向からの傾斜角度（以下、傾斜角度）は、傾斜角センサ５で検出する。傾斜角センサとしては、例えば加速度センサを用いる。本実施の形態では、傾斜角センサ５で検出した、本体部３の鉛直方向からの傾斜角度θ４と、後述する支持部７と本体部３とのなす角度（以下、交差角度）θ１から推算したピッチ傾斜角度θ２との差分から、接地面の勾配角度θ３を算出する（θ３＝θ４－θ２）。接地面の勾配角度θ３に基づいて、鉛直方向に対するピッチ傾斜角度である絶対傾斜角度を修正することにより、接地面の勾配を考慮して本体部３の釣合い方向を補正することができる。
　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感を高めるために、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。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の他端が地面に接しない範囲であれば、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（図示せず）を、本体部３と支持部７との連結部分に備えている。本実施の形態では、制御基板３２が、電動モータの動作（回転）を制御する。支持部７と本体部３とのなす角度（以下、交差角度）θ１は、電動モータに内蔵された支持部角度エンコーダ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、制御目標となる目標ピッチ角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のピッチ方向の角度出力をカウンタにて取得し、取得したピッチ方向の角度出力に基づいて、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が接地面に直交する方向に対して傾斜する傾斜角度（ピッチ傾斜角度）θ２を推算する。接地面勾配角度算出部４６では、傾斜角センサ５で検出された本体部３の鉛直方向からの傾斜角度θ４を取得して、ピッチ傾斜角度推算部４７で推算されたピッチ傾斜角度θ２との差分を算出して、接地面の勾配角度θ３を算出する（θ３＝θ４－θ２）。すなわち、手押し車１が平地にある場合、θ４の値はθ２となり、θ３＝０となる。
　絶対傾斜角度推算部４３では、推算されたピッチ傾斜角度θ２、及び算出された接地面の勾配角度θ３に基づいて、鉛直方向に対するピッチ傾斜角度である絶対傾斜角度を推算する。これにより、接地面の勾配を考慮して本体部３の釣合い方向を補正することができる。
　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。
　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。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。
　本実施の形態では、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が接地面に直交する方向に対して傾斜するピッチ傾斜角度θ２を推算する。図４では、接地面が水平であるので、本体部３が鉛直方向に対してなす角度がピッチ傾斜角度θ２となっている。
　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。
　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に示すように、手押し車１の接地面は、勾配角度θ３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を推算して本体部３の姿勢を制御しても、鉛直方向が本体部３の釣合い方向とはならず、本体部３が後方へ傾く方向に力がかかる。そこで、接地面が勾配を有する場合であっても被歩行補助者にとって使用感を損なわないためには、接地面の勾配角度θ３分だけ絶対傾斜角度を修正して、本体部３の釣合い方向を補正することが必要となる。
　すなわち、手押し車１が平地から上り勾配の斜面に差しかかった場合、被歩行補助者が把持部４を把持し続けれていれば、倒立振子の釣り合い方向とはならないので、被歩行補助者にとって進行方向に対して手前方向に力が働いているように感じるものの、交差角度θ１は変化しない。したがって、ピッチ傾斜角度θ２の算出結果も変化しない。しかし、傾斜角センサ５の検出値である本体部３の鉛直方向からの傾斜角度θ４は変化するので、演算結果としての接地面の勾配角度θ３は０ではなくなり、上り勾配であることを検出することができる。
　そのため、本実施の形態では、傾斜角センサ５で検出された、本体部３の鉛直方向からの傾斜角度θ４、及び交差角度θ１から推算したピッチ傾斜角度θ２の差分を算出することにより、接地面の勾配角度θ３を算出している。斯かる演算を繰り返し、接地面の勾配角度θ３分だけ絶対傾斜角度を修正し続けることにより、接地面の勾配角度に応じて本体部３の釣合い方向を補正することができ、安定した倒立二輪走行を実現することが可能となる。
　一般に、安価な傾斜角センサは、その原理上、水平方向及び鉛直方向の加速度成分を誤って傾斜角として検出することが多い。高精度な傾斜角センサは高価であるため、安価な傾斜角センサを用いる場合は、その瞬時値ではなく、ある一定の時間間隔で取得した値の平均値を用いる、高周波成分をローパスフィルタで除去した後の値を用いる等の工夫をすることが好ましい。これにより、一定時間内に検出された勾配角度の平均値を接地面の勾配角度θ３として用いることができ、接地面の細かい凹凸の存在等に過敏に反応することなく、本体部３の釣合い方向を補正することが可能となる。
　接地面の勾配変化をより高い精度で検出するには、傾斜角センサ５の出力値をローパスフィルタでフィルタリングした後の値を微分演算し、微分値が所定の閾値以下である場合に勾配変化が落ち着いたと判断して本体部３の釣合い方向を補正すれば良い。これにより、接地面に細かい凹凸が存在する場合であっても、全体として上り坂であるか下り坂であるかを判断して本体部３の姿勢を制御することができ、被歩行補助者が安全に歩行することができるよう補助することが可能となる。
　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８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防止処理手順を示すフローチャートである。
　図８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Ｓ８０１）。コントローラは、支持部角度エンコーダ９１のピッチ方向の角度出力をカウンタにて取得し、取得したピッチ方向の角度出力に基づいて、本体部３と支持部７とのなす角度である交差角度θ１を算出する（ステップＳ８０２）。
　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Ｓ８０３）。コントローラは、傾斜角センサ５で検出された本体部３の鉛直方向からの傾斜角度θ４を取得して（ステップＳ８０４）、推算されたピッチ傾斜角度θ２との差分を算出して、接地面の勾配角度θ３を算出する（ステップＳ８０５）。
　コントローラは、推算されたピッチ傾斜角度θ２、及び算出された接地面の勾配角度θ３に基づいて、鉛直方向に対するピッチ傾斜角度である絶対傾斜角度を推算して（ステップＳ８０６）、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を算出する（ステップＳ８０７）。これにより、接地面の勾配を考慮して本体部３の釣合い方向を補正することができる。
　コントローラは、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Ｓ８０８）。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Ｓ８０９）、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Ｓ８０９：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Ｓ８１０）。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Ｓ８１１）。コントローラは、処理をステップＳ８０２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Ｓ８０９：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によれば、算出した勾配角度θ３に基づいて、推算した絶対傾斜角度を修正して本体部３の釣合い方向を補正することにより、接地面が勾配を有する場合であっても、勾配角度に応じて本体部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、車輪ごとに１個ずつピッチ用モータを設けても良い。また、電動モータも、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。
　１　手押し車
　２　車輪
　３　本体部
　４　把持部
　５　傾斜角センサ
　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
　４３　絶対傾斜角度推算部
　４４　目標ピッチ角設定部
　４５　角度検出部
　４６　接地面勾配角度算出部
　４７　ピッチ傾斜角度推算部
　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

Claims (3)

  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、
    　前記一対の車輪を回転することが可能に支持する本体部と、
    　前記一対の車輪が支持されている側とは反対側の、前記本体部の一端に設けられている把持部と、
    　一端にてピッチ方向に回転することが可能に前記本体部と連結してあり、他端にて一又は一対の補助輪を回転することが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交差角度を検出する交差角度検出手段と、
    　該交差角度検出手段で検出された交差角度に基づいて、前記本体部が接地面に直交する方向に対して傾斜する傾斜角度を推算する傾斜角度推算手段と、
    　接地面の勾配角度を算出する勾配角度算出手段と
    　を備え、推算した傾斜角度と算出した勾配角度とに基づいて、鉛直方向に対するピッチ傾斜角度を推算して、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. 　前記勾配角度算出手段は、一定時間ごとの勾配角度を算出することを特徴とする請求項１に記載の手押し車。
  3. 　前記勾配角度算出手段は、一定時間内に算出された勾配角度の平均値を勾配角度として算出することを特徴とする請求項１に記載の手押し車。
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