WO2021132216A1 - 電動歩行補助車 - Google Patents

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WO2021132216A1
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electric walking
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brake
control device
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浩明 橋本
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ナブテスコ株式会社
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    • B60L2250/00—Driver interactions
    • B60L2250/24—Driver interactions by lever actuation

Definitions

  • the present invention relates to an electric walking assist vehicle.
  • an electric walking assist vehicle is known to assist the walking of an elderly person or a person with weak leg strength (see, for example, Patent Documents 1 to 3).
  • the electric walking assist vehicle is used together with a pedestrian (user) when walking.
  • Some electric walking aids use the torque brakes of the motor to keep the vehicle and the user from being too far apart.
  • the battery power may be exhausted during use due to forgetting to charge the battery, and proper operation may not be possible. Therefore, improvement of this problem is desired.
  • one aspect of the present invention is a wheel provided on a vehicle body, a power generation mechanism that generates regenerative power according to the rotation of the wheel, and the wheel by the regenerative power generated by the power generation mechanism. It is an electric walking assist vehicle that includes a control device that controls a brake that applies braking force to the wheel.
  • FIG. 4A shows a high resistance running state
  • FIG. 4B shows an uphill running state
  • FIG. 4C shows a one-sided inclined running state
  • FIG. 4D shows an extremely low speed running state. Shown.
  • the relationship between braking force and running speed is shown.
  • FIG. 6A shows the relationship between the brake ratio and the duty ratio of the first embodiment
  • FIG. 6B shows the relationship between the brake ratio and the duty ratio of the second embodiment.
  • the relationship between the ratio of the power supply connection resistance to the resistance of the motor generator and the ratio of the amount of increase in current to the amount of increase in regenerative voltage will be illustrated.
  • the circuit configuration of the walking assist vehicle of the third embodiment is shown.
  • the method of electricity storage in the electricity storage device is shown.
  • Another example of the circuit configuration of the walking assist vehicle of the third embodiment is shown.
  • the circuit configuration of the walking assist vehicle of the fourth embodiment is shown.
  • the circuit configuration of the walking assist vehicle of the fifth embodiment is shown.
  • the circuit configuration of the walking assist vehicle of the sixth embodiment is shown.
  • the electric walking assist vehicle of the present embodiment will be described with reference to the drawings.
  • the same configurations will be designated by the same reference numerals, and repeated description of them will be omitted.
  • the electric walking assist vehicle for example, a walking assist vehicle that assists the elderly in walking will be illustrated.
  • the electric walking assist vehicle at least any walking assist vehicle whose brake is controlled by electric power can be adopted.
  • the walking assist vehicle is driven by rotating the wheels using a force input or applied to the vehicle as a main driving source, such as by being pushed by the user.
  • Examples of such a walking assistance vehicle include a wheelchair, a silver car, a stroller, and a trolley for transporting a load in addition to the walking assistance vehicle.
  • the term “brake” refers to a mechanical brake that causes a friction element such as a brake shoe to come into contact with a wheel or axle by the user's intentional operation to reduce the rotation speed of the wheel, and the user's intentional brake. It includes an electric brake that reduces the rotation speed of the wheel by recovering the kinetic energy generated by the rotation of the wheel by electric control regardless of the operation.
  • the electric brake also includes a brake that rotationally drives the motor in a direction opposite to the normal driving direction to reduce the number of rotations of the wheels.
  • the term “electric walking assist vehicle” means a walking assist vehicle equipped with at least an electric brake. Therefore, even if the electric brake is the only element controlled by electricity in the entire walking assist vehicle, it is included in the electric walking assist vehicle.
  • the "forward direction” means the forward direction in the normal use state of the walking assistance vehicle.
  • the "pitch angle” means an angle around an axis (pitch axis) extending in the vehicle width direction.
  • the "roll angle” means an angle around an axis (roll axis) extending in the front-rear direction of the walking assistance vehicle.
  • the "yaw angle” means an angle around an axis (yaw axis) extending in the vertical direction of the vehicle.
  • the “road surface inclination angle” means the inclination angle of the traveling surface of the walking assistance vehicle.
  • the inclination angle of the road surface is estimated to be the same as the inclination angle of the walking assistance vehicle, and is indicated by the angle around the pitch axis or the roll axis, or the combination of the angles around the pitch axis and the roll axis.
  • the walking assistance vehicle 100 includes a main body frame 11 of the vehicle body, a pair of front wheels 12 and a pair of rear wheels 13 provided on the main body frame 11 of the vehicle body. And a support pad (body support portion) 14 provided on the main body frame 11.
  • the walking assist vehicle 100 assists the walking of an elderly person or a person with weak leg strength.
  • the user puts his forearm or elbow on the support pad 14, and with the weight (load) applied to the support pad 14, the handlebar 15 while grasping the handlebar 15 and the brake lever 16.
  • the main body frame 11 includes a pair of support frames 21 that are inclined by a predetermined angle from a direction perpendicular to the installation surface of the walking assistance vehicle 100.
  • the support frame 21 is composed of a pipe-shaped member as an example.
  • a pair of lower frames 51 are horizontally arranged on the lower end side of the support frame 21.
  • a pair of front wheels 12 are attached to the front end side of the lower frame 51.
  • a pair of link mechanisms 55 are provided on the rear end side of the lower frame 51.
  • a pair of upper frames 54 are provided above the pair of lower frames 51.
  • One end side of a pair of rear wheel frames 57 is rotatably coupled to the rear end side of the upper frame 54 via a shaft 56.
  • a pair of rear wheels 13 are provided on the other end side of the rear wheel frame 57, respectively.
  • a pair of handles 24 are provided at the upper ends of the pair of support frames 21.
  • the pair of handles 24 are provided substantially horizontally with respect to the installation surface of the walking assistance vehicle 100.
  • the pair of handles 24 are formed of a pipe-shaped member as an example.
  • Each of the pair of handles 24 is provided with a grip portion 23 (see FIG. 2) that the user grips to stabilize the posture when seated.
  • a pipe-shaped handle bar 15 integrated with the handles 24 is formed on the front side of the pair of handles 24 .
  • One end of the handlebar 15 is coupled to one of the pair of handles 24, and the other end of the handlebar 15 is coupled to the other handle 24.
  • the handlebar 15 may be formed of a member different from the handle 24.
  • a pair of mechanically contactable brake shoes 25 are provided on the outer circumference of the pair of rear wheels 13.
  • the brake shoe 25 is connected to one end of a brake wire (not shown) arranged in the main body frame 11.
  • the other end of the wire is connected to a wire connection mechanism of a pair of brake units 61 provided on both sides of the handlebar 15.
  • the wire is stored in the main body frame 11, by arranging the wire outside the main body frame, the wire may be configured to be visible to the user in appearance.
  • the brake lever 16 is arranged in the front lower direction of the handlebar 15 so as to face the handlebar 15. Both ends of the brake lever 16 are connected to a pair of brake units 61. Both ends of the brake lever 16 are attached to the brake unit 61 via an urging means such as a winding spring. The user can apply the mechanical brake by the wire action by pulling the brake lever 16 toward the front (in the direction of the arrow RA in FIG. 2). That is, the brake shoe 25 is controlled by operating the brake lever 16.
  • the user pulls the brake lever 16 toward the front side (in the direction closer to the handlebar 15) to the brake operating position.
  • the action of the wire connected to the brake lever 16 causes the brake shoe 25 to move and press the outer circumference of the rear wheel 13.
  • the brake lever 16 returns to the original position (normal position).
  • the brake shoe 25 is also separated from the rear wheel 13 and the mechanical brake is released.
  • the brake lever 16 can be lowered in the opposite direction (lower side) of the arrow RA.
  • a support pad 14 which is a body support portion is mounted on a pair of handles 24. In this embodiment, the user's forearms, elbows, or both are supported.
  • the shape of the support pad 14 is a horseshoe shape, a U-shaped straight line shape, or the like.
  • the support pad 14 is formed by placing a cushioning material such as a sponge or a rubber material on a plate material such as a wooden board or a resin board and covering it with an arbitrary covering material made of resin or cloth.
  • the support pad 14 may be composed of only a plate material.
  • One end of a pair of arm members 26 is fixed to both left and right sides of the lower surface of the support pad 14.
  • the other end of the arm member 26 is rotatably attached to the outside of the pair of handlebars 15.
  • the support pad 14 rotates in the direction of the arrow RB in FIG. 2 and is fixed at a predetermined position (evacuation position) (see the virtual line in FIG. 2). ).
  • a space for accommodating the upper body of the user is secured on the seat portion 37. In this state, the user can sit on the seat portion 37 with the support pad 14 on the back side while grasping the pair of grip portions 23 with both hands. By grasping the grip portion 23, the user can stabilize his / her posture when sitting.
  • the support pad 14 prevents the user from sitting on the seat portion 37 of the walking assistance vehicle at the position before being pushed up (normal position), and the seat is at the position after being pushed up (evacuation position). Allows the user to sit in the section 37.
  • a lock mechanism (not shown) is provided, and the support pad 14 is automatically pushed up by releasing the fixing by the lock mechanism. May be good.
  • an electric mechanism (motor or the like) for rotating the arm member 26 may be provided, the electric mechanism may be operated by activating the switch, and the support pad 14 may be pushed up.
  • a storage portion 27 (see FIG. 2) made of resin or cloth is provided so as to be suspended between the pair of upper frames 54.
  • the accommodating portion 27 has a bag shape with an open upper part and accommodates a load.
  • the seat portion 37 for seating also functions as a lid portion of the accommodating portion 27.
  • a lever 28 extending downward from the pair of upper frames 54 is provided.
  • the lever 28 is arranged at a position where the user can step on it with his / her legs.
  • the link mechanism 55 is folded so that the pair of rear wheel frames 57 and the pair of rear wheels 13 approach the pair of front wheels 12, and the entire walking assistance vehicle 100 is folded.
  • the walking auxiliary vehicle 100 of FIG. 3 includes a motor generator 101, a power storage device 102, a PWM control switching element (hereinafter, PWM control SW element) 103, a sensor unit 104, and a control device 105. including. These are housed in one housing and are integrally provided with the rear wheel 13 to be controlled. In this case, a housing containing these may be attached to each of the pair of rear wheels 13.
  • PWM control SW element PWM control switching element
  • the motor generator 101 is connected to the axle of the rear wheel 13 and functions as an electric brake that suppresses the rotation speed of the rear wheel 13.
  • the motor generator 101 recovers the kinetic energy generated by the rotation of the rear wheels 13 and stores it in the power storage device 102. Therefore, the motor generator 101 functions as a regenerative brake or a dynamic brake.
  • a servo motor, a stepping motor, an AC motor, a DC motor and the like can be used.
  • the motor generator 101 may be connected to the front wheels 12 or may be connected to both the front wheels 12 and the rear wheels 13.
  • the motor generator 101 of this embodiment is an example of a power generation mechanism.
  • the power storage device 102 is electrically connected to the motor generator 101, receives the regenerative power generated by the motor generator 101, and is charged. Regenerative power is generated when the user is actively moving the electric walking assist vehicle.
  • the power storage device 102 is electrically connected to the control device 105 to supply electric power to the control device 105.
  • the electric power for driving each hardware is supplied from the power storage device 102.
  • a battery such as a capacitor or a secondary battery such as a lithium ion battery is used as the power storage device 102 can be charged using only the regenerative power or an external power source in addition to the regenerative power.
  • the PWM control SW element 103 is a field effect transistor (FET) that switches the circuit state between short-circuiting and opening of the motor generator 101.
  • the PWM control SW element 103 is connected to the first terminal 101A and the second terminal 101B of the motor generator 101.
  • the PWM control SW element 103 is PWM controlled by the control device 105. Details will be described later.
  • the sensor unit 104 includes a single sensor or a plurality of sensors, and transmits the detection result of each sensor to the control device 105.
  • the sensor unit 104 includes an angular velocity sensor 111 that detects the angular velocity of the vehicle around the pitch axis, the roll axis, and the yaw axis, and an acceleration sensor 113 that detects the acceleration of the walking assistance vehicle around the pitch axis, the roll axis, and the yaw axis.
  • a speed sensor 115 for detecting the rotation speed and rotation direction of the rear wheels, and an angle sensor 117 for detecting the pitch angle, roll angle, and yaw angle of the walking assistance vehicle 100 are provided.
  • a 6-axis inertial sensor in which they are combined may be used.
  • a 4-axis inertial sensor capable of detecting at least the angular velocity and acceleration around the pitch axis and the roll axis may be used.
  • a Hall element may be used as the speed sensor 115, or the speed may be calculated from the back electromotive force of the motor generator 101.
  • a geomagnetic sensor may be used instead of the acceleration sensor. The detection results of these sensors are transmitted to the control device 105 as signals by a wired method or a wireless method.
  • the sensor unit 104 may include a tilt sensor that detects the pitch axis or the tilt angle with respect to the horizontal plane around the pitch axis.
  • a sensor capable of detecting the angular velocity around the pitch axis and the acceleration in the roll axis direction may be used.
  • the history of the detection value of the acceleration sensor 113 or the change with time may be used to detect the inclination angle or the presence / absence of the inclination with respect to the horizontal plane, and in this case, the inclination sensor is unnecessary.
  • the detection value of the acceleration sensor 113 may be integrated to detect the speed, and in this case, the speed sensor 115 is unnecessary. Further, the acceleration in the front-rear direction may be calculated by differentiating the detection value of the speed sensor 115 without providing the acceleration sensor 113 for detecting the acceleration in the front-rear direction. As described above, the acquisition of the speed and the acceleration can be realized by using any one of the acceleration sensor 113 and the speed sensor 115.
  • the control device 105 controls the brake that applies the braking force to the rear wheels by controlling the motor generator 101 using the regenerative power.
  • the control device 105 operates by the regenerative power generated in the motor generator 101 by the running of the walking auxiliary vehicle 100.
  • the control device 105 is connected in parallel with the power storage device 102.
  • the control device 105 is composed of hardware such as a processor that performs arithmetic processing such as an MPU (Micro Processing Unit), a memory that stores information and instructions, and a temporary memory that is used for arithmetic operations by the processor.
  • the control device 105 controls the braking force of the brake by the motor generator 101 by using the detection results obtained from each sensor. For example, the control device 105 controls the braking force by calculating the magnitude of the braking force and PWM-controlling the PWM control SW element 103 to generate the braking force.
  • the control device 105 includes a traveling state estimation unit 121 and a brake control unit 123.
  • the traveling state estimation unit 121 estimates the traveling state of the walking assistance vehicle 100. Examples of the estimated running state are shown in FIGS. 4A to 4D. As shown in FIG. 4A, the traveling state estimation unit 121 has a road (for example, a lawn) in which the traveling resistance is larger than a predetermined resistance threshold based on the detection result of the vertical acceleration during traveling by the acceleration sensor 111. , Gravel road, etc.), it is estimated whether or not the walking assist vehicle 100 is traveling (hereinafter, “high resistance traveling state”). As shown in FIGS.
  • the traveling state estimation unit 121 is traveling on an uphill road or a one-sloping road based on the detection result of the angle sensor 115. It is estimated whether or not the vehicle is in a state (hereinafter, "uphill running state” and “one-sided slope running state", respectively).
  • the “one-sided inclined road” means a road inclined in the left-right direction of the walking assistance vehicle.
  • the traveling state estimation unit 121 has a traveling state (for example, see FIG. 5) in which the traveling speed of the walking assist vehicle 100 is equal to or less than a predetermined lower limit speed (see, for example, FIG.
  • the traveling state estimation unit 121 may image the traveling road surface and analyze the captured image to estimate the traveling state.
  • the walking assist vehicle 100 of FIG. 3 includes a power supply connection resistor R1 and first and second diodes D1 and D2.
  • the power supply connection resistor R1 is connected in series to the motor generator 101 and the power storage device 102.
  • the power supply connection resistor R1 is arranged between the off-side terminal of the PWM control SW element 103 and the power storage device 102.
  • the resistance value of the power supply connection resistor R1 affects the current supplied to the motor generator 101. For example, when the resistance value of the power supply connection resistor R1 is relatively large, a relatively small current flows through the motor generator 101, and when the resistance value of the power supply connection resistor R1 is relatively small, the motor generator 101 is relatively large. Current flows. Therefore, the braking force of the motor generator 101 can be adjusted by adjusting the resistance value of the power connection resistor R1.
  • the power supply connection resistor R1 a resistor smaller than the resistance of the motor generator 101 is used as the power supply connection resistor R1.
  • the power connection resistance R1 is 0.1 [ ⁇ ] with respect to the resistance 0.32 [ ⁇ ] of the motor generator 101.
  • the power supply connection resistor R1 may be arranged between the power storage device 102 and the second terminal 101B of the motor generator 101.
  • the first and second diodes D1 and D2 pass a current in the direction from the first terminal 101A to the second terminal 101B of the motor generator 101.
  • the first diode D1 is arranged between the off-side terminal of the PWM control SW element 103 and the power supply connection resistor R1.
  • the second diode D2 is arranged between the power storage device 102 and the second terminal 101B of the motor generator 101. Any one of the first and second diodes D1 and D2 may be used.
  • control process by the control device 105 will be described.
  • the operation mainly performed by the control device 105 is realized by the processor referring to the instructions and information stored in the memory and executing the operation on the temporary memory.
  • the brake control unit 123 controls the braking force of the regenerative brake by the motor generator 101 by the PWM control of the PWM control SW element 103.
  • the PWM control SW element 103 is on / off controlled by the brake control unit 123.
  • the brake control unit 123 outputs a control signal for on / off control of the PWM control SW element 103 to the PWM control SW element 103.
  • This control signal defines the duty ratio of the PWM control SW element 103.
  • the duty ratio refers to the ratio of the on-time of the PWM control SW element 103 to the pulse period.
  • the motor generator 101 rotates according to the rotation of the wheels (rear wheels 13), and a counter electromotive force is generated in the motor generator 101.
  • the PWM control SW element 103 is off, the motor generator 101 is connected to the power storage device 102, and the electromotive force (regenerative power) generated in the motor generator 101 stores the power storage device 102.
  • the PWM control SW element 103 is on, the motor generator 101 is short-circuited. At the time of a short circuit, a current proportional to the electromotive force and inversely proportional to the resistance of the motor generator 101 flows through the motor generator 101, so that a braking torque proportional to the current is generated.
  • the larger the duty ratio the larger the current supplied to the motor generator 101, and the larger the brake torque. Since the brake torque is an average weighted by the duty ratio of the brake torque when it is on and when it is off, the brake torque increases as the duty ratio increases.
  • the brake control unit 123 operates the first regenerative brake so as to suppress the traveling speed to a predetermined traveling speed. .. This enables traveling at a constant speed.
  • the brake control unit 123 acquires the detected value of the speed sensor 115 and monitors the detected value.
  • the motor generator 101 When the first regenerative brake is activated, for example, the motor generator 101 generates a braking force to suppress the rotation speed of the rear wheels 13. As a result, the speed of the walking assistance vehicle 100 is suppressed and the safety is enhanced.
  • the brake control unit 123 operates the second regenerative brake, which has a smaller braking force than the first regenerative brake, when the traveling speed of the walking assistance vehicle 100 is equal to or less than a predetermined upper limit speed.
  • the regenerative brake is constantly operated and the power storage device 102 is constantly stored. Therefore, it is easy to solve the storage shortage of the power storage device 102.
  • the second regenerative braking it is preferable to maintain a constant weak braking force that does not bother the user.
  • the brake control unit 123 determines the duty ratio at predetermined time intervals so as to output a predetermined brake torque according to the traveling speed.
  • the duty ratio of PWM control is set based on the traveling speed and the voltage of the power storage device 102.
  • the brake control unit 123 reduces the duty ratio when the amount of decrease in the voltage of the power storage device 102 per predetermined time becomes larger than the first threshold value when the traveling speed is within the predetermined speed range. As a result, fluctuations in the braking force due to the voltage drop of the power storage device 102 are suppressed.
  • the brake control unit 123 increases the duty ratio when the amount of increase in the voltage of the power storage device 102 per predetermined time becomes larger than the second threshold value when the traveling speed is within the predetermined speed range. As a result, fluctuations in the braking force due to an increase in the voltage of the power storage device 102 are suppressed.
  • the first threshold value and the second threshold value are appropriately determined according to the design, and the optimum values are determined by experiments and the like.
  • the brake control unit 123 obtains the duty ratio p by the following method. First, the brake control unit 123 determines the target brake torque T according to the traveling speed based on the numerical table of the braking torque with respect to the traveling speed created in advance.
  • the brake torque T is represented by the following equation (1) as shown in the relationship between the duty ratio p and the brake torque T in FIG. 6A.
  • T Ap-B equation (1)
  • a and B show values larger than 0.
  • A increases as the torque constant of the motor generator 101 and the voltage between the terminals of the power storage device 102 increase, and decreases as the impedance of the motor generator 101 increases.
  • B increases as the torque constant of the motor generator 101 and the voltage between the terminals of the power storage device 102 increase, and decreases as the traveling speed and the impedance of the motor generator 101 increase.
  • the duty ratio p (T + B) / A formula (2)
  • the brake control unit 123 can obtain the duty ratio p required for producing a specific brake torque T based on the equation (2).
  • the brake torque T is 0 or less when the duty ratio is equal to or less than a certain value (referred to as “torque generation duty ratio”).
  • torque generation duty ratio a certain value
  • the brake torque T does not actually become negative due to the action of the first and second diodes D1 and D2.
  • the duty ratio p needs to be larger than the torque generation duty ratio.
  • the lower limit of the duty ratio is set so that a regenerative voltage larger than the operating voltage of the control device 105 can be generated. As a result, control is maintained regardless of the amount of electricity stored in the electricity storage device 102.
  • the brake control unit 123 may reduce the braking force of the second regenerative brake based on the estimation result of the traveling state estimation unit 121.
  • the brake control unit 123 is estimated to correspond to at least one of the high resistance running state, the uphill running state, the one-sided inclined running state, and the extremely low speed running state shown in FIGS. 4A to 4D. Accordingly, the braking force of the second regenerative brake may be reduced so that the second regenerative brake does not operate. By reducing the braking force of the second regenerative brake in the high resistance running state and the uphill running state, the deterioration of the running performance is suppressed.
  • the brake is controlled by the regenerative power, it is possible to prevent the walking assist vehicle 100 from not operating properly during use. Further, for example, it is not necessary to connect the walking assist vehicle 100 to an external power source to charge the vehicle.
  • the first regenerative brake is operated so that the traveling speed becomes constant in a predetermined case, but the present invention is not limited to this, and the mechanical brake is operated so that the traveling speed becomes constant. You may.
  • the PWM control is performed based on the above equations (1) to (5), but the PWM control is not limited to this, and the PWM control may be performed based on the numerical table of the duty ratio with respect to the current traveling speed. Good. In this numerical table, for example, a duty ratio that realizes the braking force as shown in FIG. 5 is set for each traveling speed.
  • the braking force may be adjusted based on the inclination angle of the ground measured using a 6-axis inertial sensor or the like. Further, the Hall element may be provided in the motor generator 101, and the braking force may be adjusted based on the traveling speed and the acceleration measured by using the Hall element.
  • the counter electromotive force generated by the motor generator 101 may be measured using a voltage sensor or the like, and the braking force may be adjusted based on the traveling speed and acceleration measured using the measured electromotive force.
  • the brake torque is almost 0 when the duty ratio is equal to or less than the torque generation duty ratio, and rapidly increases when the duty ratio exceeds the torque generation duty ratio. Since the torque generation duty ratio depends on the traveling speed and the voltage of the power storage device 102, the calculation of the duty ratio is relatively complicated. Further, if the traveling speed and the voltage of the power storage device 102 fluctuate even a little, there is a concern that the braking force fluctuates with the fluctuation of the torque generation duty ratio and the running smoothness is somewhat lost.
  • the power connection resistance R1 of this embodiment is larger than the resistance of the motor generator 101.
  • the power connection resistance R1 is 10 [ ⁇ ] with respect to the resistance 0.32 [ ⁇ ] of the motor generator 101.
  • FIG. 6B shows the relationship between the duty ratio and the brake torque of this embodiment. As shown in FIG. 6B, the torque generation duty ratio of this embodiment is close to zero. Also, the brake torque increases linearly with respect to the duty ratio.
  • the amount of increase in the current flowing through the motor generator 101 when the regenerative power fluctuates due to the fluctuation of the traveling speed based on the power connection resistance R1 and the resistance of the motor generator 101 will be described.
  • the horizontal axis shows the ratio (resistance ratio) of the power supply connection resistance R1 to the resistance of the electric generator 101
  • the vertical axis shows the ratio (increase) of the amount of increase in the current flowing through the electric generator 101 to the amount of increase in the regenerative voltage. Ratio) is shown.
  • FIG. 7 shows the ratio (resistance ratio) of the power supply connection resistance R1 to the resistance of the electric generator 101
  • the vertical axis shows the ratio (increase) of the amount of increase in the current flowing through the electric generator 101 to the amount of increase in the regenerative voltage. Ratio) is shown.
  • the regenerative voltage is 2.5 [V]
  • the voltage of the power storage device 102 is 5 [V]
  • the voltage between terminals (voltage drop) due to the first diode D1 is 0.6 [V]
  • the motor generator is adjusted so that a current of 0.1 [A] flows through the motor generator 101 while the resistance of 101 is 0.32 [ ⁇ ].
  • the resistance ratio is 0.3125. Therefore, as shown in FIG. 7, the increase rate of the first embodiment is about 3 to 3.5. On the other hand, the resistance ratio of this embodiment is about 31.25. Therefore, as shown in FIG. 7, the increase rate of this embodiment is about 0.1 to 0.3. Therefore, this embodiment has a higher robustness of braking force against fluctuations in traveling speed than the first embodiment.
  • the braking force is less affected by the fluctuation of the torque generation duty ratio, and the duty ratio can be calculated with a relatively small calculation load. As a result, fluctuations in braking force are suppressed. Therefore, the smoothness of running is further increased.
  • the power storage device 102 of the present embodiment includes a first power storage unit 102a and a second power storage unit 102b having a capacity larger than that of the first power storage unit 102a.
  • the first power storage unit 102a and the second power storage unit 102b are connected in parallel.
  • the first power supply connection resistor R1a is connected to the first power storage unit 102a
  • the second power supply connection resistor R1b is connected to the second power storage unit 102b.
  • the second power supply connection resistor R1b is larger than the first power supply connection resistor R1a.
  • the first power storage unit 102a and the second power storage unit 102b of the present embodiment are capacitors.
  • the voltage of the first power storage unit 102a quickly rises to the operating voltage of the control device 105 when the regenerative power is supplied.
  • the amount of electricity stored is small.
  • the brake torque tends to fluctuate when the traveling speed fluctuates.
  • the first power storage unit 102a and the second power storage unit 102b having different capacities are connected in parallel.
  • FIG. 9C when the regenerative power is supplied, both the first power storage unit 102a and the second power storage unit 102b are stored, but the voltage of the first power storage unit 102a, which has a relatively small capacity, is charged.
  • the operating voltage of the control device 105 is reached first.
  • the second storage unit 102b which has a relatively large capacity, is charged, so that a sufficient amount of storage can be obtained.
  • the power storage device 102 may include three or more power storage units that are connected in parallel and have different capacities. Further, as shown in FIG. 10, a diode D is provided between the terminal between the first power storage unit 102a and the first power supply connection resistor R1a and the terminal between the second power storage unit 102b and the second power supply connection resistor R1b. You may place a'.
  • the walking assist vehicle 100 of the present embodiment includes the third and fourth diodes D3 and D4 connected to the first power storage unit 102a and the second power storage unit 102b, respectively.
  • the first and third diodes D1 and D3 are connected in series
  • the second and fourth diodes D2 and D4 are connected in series.
  • the first to fourth diodes D1 to D4 cause a current to flow in the direction from the first terminal 101A to the second terminal 101B of the motor generator 101.
  • the power storage device 102 When the electromotive force due to regeneration disappears, in the power storage device 102, a current flows back from the first power storage unit 102a to the second power storage unit 102b, and as shown in FIG. 9D, the first power storage unit 102a and the second power storage unit 102b The amount of electricity stored may be smoothed between the two. In this case, it takes time for the voltage of the power storage device 102 to reach the operating voltage of the control device 105.
  • the first and third diodes D1 and D3 are connected in parallel. Further, the storage control SW element 130 is electrically connected between the terminals on the cathode side of the first and third diodes D1 and D3. A field effect transistor (FET) is used as the power storage control SW element 130.
  • FET field effect transistor
  • the voltage drop due to the first and third diodes D1 and D3 is suppressed.
  • the control of the power storage control SW element 130 will be described.
  • the control device 105 When the control device 105 is not up, the power storage control SW element 130 is in the off state. In the off state, the first diode D1, the first power supply connection resistor R1a and the first power storage unit 102a are connected in parallel with the second diode D2, the second power supply connection resistor R1b and the second power storage unit 102b.
  • the motor generator 101 passes through the first diode D1 to the first power storage unit 102a, and the motor generator 101 passes through the third diode D3 to the second power storage unit 102b. The current flows independently of each other.
  • the voltage of the first power storage unit 102a reaches the operating voltage of the control device 105 first, and the control device 105 operates.
  • the first and third diodes D1 and D3 suppress the backflow of current from the first storage unit 102a to the second storage unit 102b.
  • the first power storage unit 102a supplies the voltage to the control device 105
  • the second power storage unit 102b cannot supply the voltage to the control device 105 due to the action of the third diode D3. .. Therefore, in the off state, the amount of electricity stored in the power storage device 102 is substantially equal to the amount of electricity stored in the first storage unit 102a, which has a relatively small capacity, and only a small amount of electricity can be obtained.
  • the control device 105 switches the power storage control SW element 130 on after its operation.
  • the first and second diodes D1 and D2 are not connected in parallel, and the first power supply connection resistor R1b and the first power storage unit 102a and the second power supply connection resistor R1b and the second power storage unit 102b are connected in parallel. ..
  • the combined voltage of the first power storage unit 102a and the second power storage unit 102b is supplied to the control device 105. Therefore, in the on state, the amount of electricity stored in the power storage device is the sum of the amount of electricity stored in the first storage unit 102a and the second storage unit 102b, so that a large amount of electricity can be stored.
  • the walking assist vehicle 100 of the present embodiment includes a Zener diode Zd connected in parallel to the power storage device 102.
  • the current is bypassed via the Zener diode Zd. Therefore, since it is suppressed that the current does not flow through the motor generator 101, the loss of braking force can be suppressed, and the power storage device 102 can be prevented from being damaged beyond the withstand voltage.
  • the present invention relates to an electric walking assist vehicle.

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Abstract

車体に設けられた車輪１２、１３と、車輪１２、１３の回転に応じて回生電力を発生する発電機構と、発電機構が発生させた回生電力によって車輪に制動力を付与するブレーキを制御する制御装置１０５と、を含む電動歩行補助車１００である。

Description

電動歩行補助車
　本発明は、電動歩行補助車に関する。
　従来、老人や脚力の弱い人の歩行を補助するために、電動歩行補助車が知られている（例えば特許文献１～３参照）。電動歩行補助車は、歩行時に歩行者（使用者）と一体となって使用される。一部の電動歩行補助車は、モータのトルクブレーキを利用して車両と使用者が離れすぎないようにしている。
特開２００９－１８３４０７号公報 特開平８－２８０７６３ 特開平１１－２６７１６２
　従来の電動歩行補助車では、例えばバッテリの充電し忘れ等により使用中にバッテリの電力がなくなり、適切な動作ができなくなる場合がある。したがって、この問題の改善が望まれる。
　上記課題を解決するために、本発明のある態様は、車体に設けられた車輪と、車輪の回転に応じて回生電力を発生する発電機構と、前記発電機構が発生させた回生電力によって前記車輪に制動力を付与するブレーキを制御する制御装置と、を含む電動歩行補助車である。
一実施形態の歩行補助車の斜視図である。 同歩行補助車の側面図である。 同歩行補助車の回路構成を示す。 図４（ａ）は高抵抗走行状態を示し、図４（ｂ）は上り坂走行状態を示し、図４（ｃ）は片傾斜走行状態を示し、図４（ｄ）は極低速走行状態を示す。 制動力と走行速度の関係を示す。 図６（ａ）は第１の実施形態のブレーキ比とデューティ比との関係を示し、図６（ｂ）は第２の実施形態のブレーキ比とデューティ比との関係を示す。 電動発電機の抵抗に対する電源接続抵抗の比率と、回生電圧の増加量に対する電流の増加量の比率との関係を例示する。 第３の実施形態の歩行補助車の回路構成を示す。 蓄電装置における蓄電の仕方を示す。 第３の実施形態の歩行補助車の回路構成の他の例を示す。 第４の実施形態の歩行補助車の回路構成を示す。 第５の実施形態の歩行補助車の回路構成を示す。 第６の実施形態の歩行補助車の回路構成を示す。
　＜第１の実施形態＞以下、図面を参照しながら、本実施形態の電動歩行補助車について説明する。以下の説明では、同一の構成には同一の符号を付し、それらについての繰り返しの説明は省略する。以下の実施形態では電動歩行補助車として、例えば高齢者の歩行を補助する歩行補助車を例示する。しかし、電動歩行補助車としては、少なくとも電力によりブレーキを制御するあらゆる歩行補助車両を採用できる。歩行補助車両は、使用者が押す等して車両に入力又は付与された力を主動源として車輪を回転させ駆動する。このような歩行補助車両の例としては歩行補助車の他に車椅子、シルバーカー、ベビーカー、荷を搬送するための台車がある。
　本明細書において「ブレーキ」とは、車輪又は車軸に対して使用者の意図的操作によりブレーキシュー等の摩擦要素を接触させて車輪の回転速度を低下させる機械的ブレーキと、使用者の意図的操作によらず電気的な制御により車輪の回転で生じる運動エネルギーを回収することで車輪の回転速度を低下させる電気的ブレーキとを含む。また、電気的ブレーキは、モータを通常の駆動方向とは逆方向に回転駆動させて車輪の回転数を低下させるブレーキも含む。さらに、本明細書において「電動歩行補助車」とは、少なくとも電気的ブレーキを備える歩行補助車を意味する。したがって、歩行補助車全体において電気で制御される要素が電気的ブレーキのみであっても電動歩行補助車に含まれる。
　本明細書において「前方向」とは、歩行補助車の通常の使用状態における前進方向を意味する。「ピッチ角度」とは、車幅方向に延びる軸（ピッチ軸）周りにおける角度を意味する。「ロール角度」とは、歩行補助車の前後方向に延びる軸（ロール軸）周りにおける角度を意味する。「ヨー角度」とは、車両の上下方向に延びる軸（ヨー軸）周りにおける角度を意味する。「路面の傾斜角度」とは、歩行補助車の走行面の傾斜角度を意味する。路面の傾斜角度は、歩行補助車の傾斜角度と同一であると推定され、ピッチ軸若しくはロール軸周りの角度、又はピッチ軸及びロール軸周りの角度の組み合わせによって示される。
　［歩行補助車の全体構成］図１及び図２に示すように、歩行補助車１００は、車体の本体フレーム１１と、車体の本体フレーム１１に設けられた一対の前輪１２及び一対の後輪１３と、本体フレーム１１に設けられた支持パッド（身体支持部）１４とを含む。歩行補助車１００は、老人や脚力の弱い人の歩行を補助する。使用者は、歩行補助車１００の使用時に支持パッド１４に前腕や肘を載せて、支持パッド１４に体重（荷重）をかけた状態で、ハンドルバー１５とブレーキレバー１６とをつかみながらハンドルバー１５を押して使用者が歩行補助車１００に力を付与し歩行動作を行う。従ってハンドルバー１５が使用者からの力を受ける受け部となり、歩行補助車１００は受け部で受けた力で移動する。
　本体フレーム１１は、歩行補助車１００の設置面に垂直な方向から所定の角度だけ傾斜する一対の支持フレーム２１を含む。支持フレーム２１は、一例としてパイプ状部材により構成される。支持フレーム２１の下端側には、一対の下段フレーム５１が水平に配置される。下段フレーム５１の前端側には、一対の前輪１２が取り付けられる。下段フレーム５１の後端側には、一対のリンク機構５５が設けられる。
　一対の下段フレーム５１の上方には、一対の上段フレーム５４が設けられる。上段フレーム５４の後端側には、一対の後輪フレーム５７の一端側が軸５６を介して回動可能に結合される。後輪フレーム５７の他端側には、一対の後輪１３がそれぞれ設けられる。
　一対の支持フレーム２１の上端部には、一対のハンドル２４が設けられる。一対のハンドル２４は、歩行補助車１００の設置面に対して概ね水平に設けられる。一対のハンドル２４は、一例としてパイプ状部材により構成される。一対のハンドル２４には、着座時に使用者が姿勢を安定させるためにつかまるグリップ部２３（図２参照）がそれぞれ設けられる。また、一対のハンドル２４の前方側には、ハンドル２４と一体的なパイプ状のハンドルバー１５が形成される。ハンドルバー１５の一端は一対のハンドル２４のうちの一方のハンドル２４に結合され、ハンドルバー１５の他端は他方のハンドル２４に結合される。なお、ハンドルバー１５が、ハンドル２４とは別部材により構成されてもよい。
　一対の後輪１３の外周には、機械的に接触可能な一対のブレーキシュー２５（図１において省略、図２参照）が設けられる。ブレーキシュー２５は、本体フレーム１１内に配設されたブレーキワイヤー（図示せず）の一端に接続される。ワイヤーの他端は、ハンドルバー１５の両側に設けられた一対のブレーキユニット６１のワイヤー接続機構に連結される。なお、ワイヤーは本体フレーム１１内に格納されるが、ワイヤーを本体フレームの外側に配置することにより、外観上、ワイヤーが使用者から見えるように構成されてもよい。
　ハンドルバー１５の前下方向には、ハンドルバー１５に対向するようにブレーキレバー１６が配置される。ブレーキレバー１６の両端部は、一対のブレーキユニット６１に連結される。ブレーキレバー１６の両端部は、巻きばね等の付勢手段を介してブレーキユニット６１に取り付けられる。使用者は、ブレーキレバー１６を手前に（図２の矢印ＲＡの方向に）引くことで、ワイヤアクションにより、機械的なブレーキをかけることができる。すなわち、ブレーキレバー１６の操作によりブレーキシュー２５が制御される。
　使用時に使用者は、ブレーキレバー１６を手前側に（ハンドルバー１５に近づける方向に）ブレーキ作動位置まで引く。ブレーキレバー１６と連結されたワイヤーのアクションによって、ブレーキシュー２５が移動して後輪１３の外周を押圧する。使用者がブレーキレバー１６から手を離すと、ブレーキレバー１６は元の位置（通常位置）に戻る。これに伴って、ブレーキシュー２５も後輪１３から離れ機械的なブレーキが解除される。また、ブレーキレバー１６は、矢印ＲＡの反対方向（下側）に降ろすことができる。ブレーキレバー１６をパーキング位置まで降ろすことで、ワイヤアクションを介してブレーキシュー２５により後輪１３を押圧した状態を維持する。
　一対のハンドル２４の上に身体支持部である支持パッド１４が搭載される。本実施の形態では、使用者の前腕、肘またはこれらの両方を支持する。
　支持パッド１４の形状は馬蹄状、Ｕ字型の直線形状等である。支持パッド１４はスポンジまたはゴム製素材のようなクッション材を、木板または樹脂板などの板材の上に置き、樹脂性や布製の任意の被覆材で被覆したものである。ただし、支持パッド１４は板材のみの構成でもよい。
　支持パッド１４の下面の左右両側には、一対のアーム部材２６の一端が固定される。アーム部材２６の他端は、一対のハンドルバー１５の外側にそれぞれ回動可能に取り付けられる。使用者が支持パッド１４を上方に押し上げる（跳ね上げる）ことで、支持パッド１４が図２の矢印ＲＢの方向に回動し、所定位置（退避位置）で固定される（図２の仮想線参照）。シート部３７上には、使用者の上半身を収容する空間が確保される。この状態で、使用者は、一対のグリップ部２３を両手でつかみながら支持パッド１４を背中側にしてシート部３７に着座できる。グリップ部２３をつかむことで、使用者は、着座の際に自身の姿勢を安定させられる。このように、支持パッド１４は、押し上げられる前の位置（通常位置）において歩行補助車のシート部３７に使用者が着座することを阻害し、押し上げられた後の位置（退避位置）において、シート部３７に使用者が着座することを許容する。
　ここでは、使用者が手動で支持パッド１４を押し上げる構成を示したが、別の例として、図示しないロック機構を設け、ロック機構により固定を解除することで、自動的に支持パッド１４を押し上げてもよい。あるいは、アーム部材２６を回動させる電動機構（モータ等）を設け、電動機構をスイッチ起動により作動させ、支持パッド１４を押し上げてもよい。
　一対の上段フレーム５４の間には、樹脂や布でできた収容部２７（図２参照）が吊り下げられるように設けられる。収容部２７は、上方が開口した袋状で、荷を収容する。着座用のシート部３７は収容部２７の蓋部としても機能する。
　収容部２７の後ろに、一対の上段フレーム５４から下方向に延在したレバー２８が設けられる。レバー２８は、使用者が脚で踏める位置に配置される。使用者がレバー２８を下げることで、一対の後輪フレーム５７および一対の後輪１３が一対の前輪１２に近づくようにリンク機構５５が折り畳まれ、歩行補助車１００全体が折畳まれる。
　［回路構成］図３の歩行補助車１００は、電動発電機１０１と、蓄電装置１０２と、ＰＷＭ制御用スイッチング素子（以下、ＰＷＭ制御用ＳＷ素子）１０３と、センサ部１０４と、制御装置１０５とを含む。これらは、１つの筐体内に収容され、制御対象となる後輪１３と一体的に設けられる。この場合、一対の後輪１３の各々に、これらを収容した筐体を取り付けてもよい。
　電動発電機１０１は、後輪１３の車軸と接続され、後輪１３の回転速度を抑制する電気式ブレーキとして機能する。電動発電機１０１は、後輪１３の回転により生じた運動エネルギーを回収し、蓄電装置１０２に蓄える。したがって、電動発電機１０１は、回生ブレーキ又は発電ブレーキとして機能する。電動発電機１０１として、サーボモータ、ステッピングモータ、ＡＣモータ、ＤＣモータ等が利用できる。なお、電動発電機１０１は、前輪１２に接続されてもよく、前輪１２及び後輪１３の両方に接続されてもよい。本実施形態の電動発電機１０１は、発電機構の例である。
　蓄電装置１０２は、電動発電機１０１と電気的に接続され、電動発電機１０１で生じた回生電力の供給を受け、充電される。回生電力は使用者が本電動歩行補助車を能動的に動かしているときに発生する。蓄電装置１０２は、制御装置１０５に電気的に接続され、制御装置１０５に電力を供給する。各ハードウェアを駆動するための電力は蓄電装置１０２から供給される。蓄電装置１０２として、コンデンサ、リチウムイオン電池のような二次電池などのバッテリが用いられる。蓄電装置１０２は、回生電力のみ、またはそれに加え、外部電源を用いて充電可能とする。
　ＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）で、電動発電機１０１の短絡と開放の間で回路状態を切り替える。ＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３は、電動発電機１０１の第１端子１０１Ａ及び第２端子１０１Ｂに接続される。ＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３は、制御装置１０５によってＰＷＭ制御される。詳細は後述する。
　センサ部１０４は、単数又は複数のセンサを備え各センサの検出結果を制御装置１０５に送信する。センサ部１０４は、ピッチ軸、ロール軸、及びヨー軸周りの車両の角速度を検出する角速度センサ１１１と、ピッチ軸、ロール軸、及びヨー軸周りの歩行補助車の加速度を検出する加速度センサ１１３と、後輪の回転速度及び回転方向を検出する速度センサ１１５と、歩行補助車１００のピッチ角度、ロール角度及びヨー角度を検出する角度センサ１１７と、を備える。角速度センサ１１１及び加速度センサ１１３として、これらを組み合わせた６軸慣性センサを用いてもよい。また、例えばヨー軸周りの角速度及び加速度を検出する必要がない場合には、少なくともピッチ軸及びロール軸周りの角速度及び加速度を検出可能な４軸慣性センサを用いてもよい。速度センサ１１５としてはホール素子を用いてもよいし、電動発電機１０１の逆起電力から速度を算出してもよい。また加速度センサの代わりに地磁気センサを用いてもよい。これらセンサの検出結果は、有線方式又は無線方式で信号として制御装置１０５に送信される。
　また、センサ部１０４はピッチ軸又はピッチ軸周りの水平面に対する傾斜角度を検出する傾斜センサを備えていてもよい。また、ロール角を検出する必要がない場合には、ピッチ軸周りの角速度及びロール軸方向の加速度を検出可能なセンサを用いてもよい。またピッチ角又はロール軸周りの回転を検出するためには加速度だけを検出できればよく、必ずしも角速度は必要ではない。また、水平面に対する傾斜角度又は傾斜の有無を検出するために加速度センサ１１３の検出値の履歴又は経時的な変化を用いてもよく、この場合には傾斜センサは不要である。また速度を検出するために加速度センサ１１３の検出値を積分してもよく、この場合には速度センサ１１５は不要である。また前後方向の加速度を検出する加速度センサ１１３を設けずに、速度センサ１１５の検出値を微分して前後方向の加速度を算出してもよい。このように速度、及び加速度の取得は、加速度センサ１１３、及び速度センサ１１５の何れか１つを用いれば実現可能である。
　制御装置１０５は、回生電力を用いて電動発電機１０１を制御することにより後輪に制動力を付与するブレーキを制御する。制御装置１０５は、歩行補助車１００の走行により電動発電機１０１に生じた回生電力によって動作する。制御装置１０５は、蓄電装置１０２と並列に接続される。制御装置１０５は、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）のような演算処理を行うプロセッサ、情報及び命令を格納するメモリ、プロセッサによる演算に用いられる一時メモリのようなハードウェアにより構成される。制御装置１０５は、各センサから得られた検出結果を利用して電動発電機１０１によるブレーキの制動力を制御する。例えば、制御装置１０５は、制動力の大きさを演算し、その制動力を発生させるためにＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３をＰＷＭ制御することで、制動力を制御する。
　制御装置１０５は、走行状態推定部１２１と、ブレーキ制御部１２３とを含む。走行状態推定部１２１は、歩行補助車１００が走行状態を推定する。推定する走行状態の例を図４（ａ）～（ｄ）に示す。図４（ａ）に示すように、走行状態推定部１２１は、加速度センサ１１１による走行時の鉛直方向の加速度の検出結果に基づいて、走行抵抗が所定の抵抗閾値よりも大きい道（例えば、芝生、砂利道等）を歩行補助車１００が走行している状態（以下「高抵抗走行状態」）であるか否かを推定する。図４（ｂ）及び（ｃ）に示すように、走行状態推定部１２１は、角度センサ１１５の検出結果に基づいて、上り坂の道又は片傾斜の道を歩行補助車１００が走行している状態（以下、それぞれ「上り坂走行状態」、「片傾斜走行状態」）であるか否かを推定する。なお、「片傾斜の道」とは、図４（ｃ）に示すように、歩行補助車の左右方向に傾斜している道をいう。図４（ｄ）に示すように、走行状態推定部１２１は、速度センサ１１３の検出結果に基づいて、歩行補助車１００の走行速度が所定の下限速度（例えば図５参照）以下の走行状態（以下「極低速走行状態」）であるか否かを推定する。走行状態推定部１２１は走行路面を撮像し、撮像画像を解析して走行状態を推定してもよい。
　さらに、図３の歩行補助車１００は、電源接続抵抗Ｒ１と、第１及び第２ダイオードＤ１及びＤ２とを含む。
　電源接続抵抗Ｒ１は、電動発電機１０１と蓄電装置１０２とに直列接続される。本実施形態では、電源接続抵抗Ｒ１は、ＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３のオフ側端子と蓄電装置１０２との間に配置される。電源接続抵抗Ｒ１の抵抗値は、電動発電機１０１に供給される電流に影響を与える。例えば、電源接続抵抗Ｒ１の抵抗値が比較的大きい場合、電動発電機１０１には比較的小さい電流が流れ、電源接続抵抗Ｒ１の抵抗値が比較的小さい場合、電動発電機１０１には比較的大きい電流が流れる。そのため、電源接続抵抗Ｒ１の抵抗値を調整することにより、電動発電機１０１の制動力を調整できる。本実施形態では、電源接続抵抗Ｒ１として、電動発電機１０１の抵抗よりも小さい抵抗が用いられる。例えば、電動発電機１０１の抵抗０．３２［Ω］に対して、電源接続抵抗Ｒ１は０．１［Ω］である。電源接続抵抗Ｒ１は、蓄電装置１０２と電動発電機１０１の第２端子１０１Ｂとの間に配置されてもよい。
　第１及び第２ダイオードＤ１及びＤ２は、電動発電機１０１の第１端子１０１Ａから第２端子１０１Ｂへの方向に電流を流す。第１ダイオードＤ１は、ＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３のオフ側端子と電源接続抵抗Ｒ１との間に配置される。第２ダイオードＤ２は、蓄電装置１０２と電動発電機１０１の第２端子１０１Ｂとの間に配置される。第１及び第２ダイオードＤ１及びＤ２については、いずれか１つでもよい。
　以下、制御装置１０５による制御プロセスを説明する。制御装置１０５が主体的に行う動作は、プロセッサがメモリに格納された命令及び情報を参照し一時メモリ上で演算を実行することで実現される。
［ブレーキ制御］上述したように、ブレーキ制御部１２３は、ＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３のＰＷＭ制御により、電動発電機１０１による回生ブレーキの制動力を制御する。ＰＷＭ制御では、ブレーキ制御部１２３によってＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３がオンオフ制御される。
　ブレーキ制御部１２３は、ＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３をオンオフ制御する制御信号をＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３に出力する。この制御信号は、ＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３のデューティ比を規定する。デューティ比とは、パルス周期に占めるＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３のオン時間の割合をいう。
　歩行補助車１００が走行すると、車輪（後輪１３）の回転に応じて電動発電機１０１が回転し、電動発電機１０１に逆起電力が発生する。ＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３がオフの状態では、電動発電機１０１が蓄電装置１０２に接続され、電動発電機１０１において生じた起電力（回生電力）により、蓄電装置１０２が蓄電される。一方、ＰＷＭ制御用ＳＷ素子１０３がオンの状態では、電動発電機１０１が短絡される。短絡時は起電力に比例し電動発電機１０１の抵抗に反比例した電流が電動発電機１０１に流れるため、その電流に比例したブレーキトルクが発生する。したがって、デューティ比が大きいほど、電動発電機１０１に供給される電流が大きくなるため、ブレーキトルクが増大する。ブレーキトルクはオンのときとオフのときのブレーキトルクのデューティ比を重みとする平均となるため、デューティ比の増大に伴い、ブレーキトルクが増大する。
　図５に示すように、ブレーキ制御部１２３は、歩行補助車１００の走行速度が所定の上限速度よりも大きい場合、走行速度を抑制して所定の走行速度にするよう第１回生ブレーキを作動させる。これにより、一定速度での走行が可能となる。この場合、ブレーキ制御部１２３は、速度センサ１１５の検出値を取得し検出値をモニタリングする。第１回生ブレーキが作動すると、例えば電動発電機１０１が制動力を発生させ後輪１３の回転速度を抑制する。これにより歩行補助車１００の速度が抑制され安全性が高められる。
　ブレーキ制御部１２３は、歩行補助車１００の走行速度が所定の上限速度以下の場合、第１回生ブレーキよりも制動力が小さい第２回生ブレーキを作動させる。これにより、回生ブレーキが常時作動されて蓄電装置１０２が常時蓄電される。そのため、蓄電装置１０２の蓄電不足を解消しやすい。第２回生ブレーキでは、使用者が気にならない程度の一定の弱い制動力を維持することが好ましい。
　ブレーキ制御部１２３は、走行速度に応じて予め定められたブレーキトルクを出力するように所定の時間間隔でデューティ比を決定する。しかし、デューティ比を決定しても、走行速度や蓄電装置１０２の電圧などにより電動発電機１０１に供給される電圧が変動するため、制動力が変動してしまう。そのため、本実施形態では、走行速度及び蓄電装置１０２の電圧に基づいてＰＷＭ制御のデューティ比を設定する。これにより、制動力の脈動を減らすことができ、使用中の違和感を減らすことができる。
　例えば、ブレーキ制御部１２３は、走行速度が所定の速度範囲内のときに所定時間当たりの蓄電装置１０２の電圧の減少量が第１閾値よりも大きくなった場合にデューティ比を小さくする。これにより、蓄電装置１０２の電圧の低下による制動力の変動が抑制される。
　また、ブレーキ制御部１２３は、走行速度が所定の速度範囲内のときに所定時間当たりの蓄電装置１０２の電圧の増加量が第２閾値よりも大きくなった場合にデューティ比を大きくする。これにより、蓄電装置１０２の電圧の上昇による制動力の変動が抑制される。
　第１閾値及び第２閾値は設計に応じて適宜定められ、その最適値は実験等により定められる。
　ブレーキ制御部１２３は、以下の方法によりデューティ比ｐを求める。まず、ブレーキ制御部１２３は、予め作成された走行速度に対するブレーキトルクの数値テーブルに基づいて、走行速度に応じて目標とするブレーキトルクＴを決定する。
　ブレーキトルクＴは、図６（ａ）のデューティ比ｐとブレーキトルクＴの関係において示されるように、以下の式（１）で表される。
　　Ｔ＝Ａｐ－Ｂ　　式（１）
　ここで、式（１）中、Ａ及びＢは０よりも大きい値を示す。Ａは電動発電機１０１のトルク定数及び蓄電装置１０２の端子間電圧が増加するにつれて大きくなり、電動発電機１０１のインピーダンスが増加するにつれて小さくなる。また、Ｂは電動発電機１０１のトルク定数及び蓄電装置１０２の端子間電圧が増加するにつれて大きくなり、走行速度及び電動発電機１０１のインピーダンスが増加するにつれて小さくなる。
　式（１）をデューティ比ｐについて整理すると、デューティ比ｐは以下の式（２）で表される。
　　ｐ＝（Ｔ＋Ｂ）／Ａ　　式（２）
　ブレーキ制御部１２３は、式（２）に基づいて、特定のブレーキトルクＴを出す際に必要なデューティ比ｐを求めることができる。
　図６（ａ）に示すように、ブレーキトルクＴはデューティ比がある値（「トルク発生デューティ比」と呼ぶ）以下のときは０以下である。ただし、第１及び第２ダイオードＤ１及びＤ２の作用によりブレーキトルクＴは実際には負にならない。トルク発生デューティ比を超えると、ブレーキトルクＴは線形に増加する。したがって、制動力を作用させるためには、デューティ比ｐをトルク発生デューティ比よりも大きくする必要がある。トルク発生デューティ比は、式（２）のＴに０を代入して、ｐ＝Ｂ／Ａから求められる。
　ここで、デューティ比を下げすぎると、制動力が小さくなりすぎて十分な回生電力が得られず、制御装置１０５を動作できない場合がある。そのため、本実施形態では、デューティ比の下限値は制御装置１０５が動作する電圧よりも大きい回生電圧を発生可能なように定める。これにより、蓄電装置１０２の蓄電量によらずに制御が維持される。
　ブレーキ制御部１２３は、走行状態推定部１２１の推定結果に基づいて、第２回生ブレーキの制動力を減少させてもよい。例えば、ブレーキ制御部１２３は、図４（ａ）～（ｄ）に示す高抵抗走行状態、上り坂走行状態、片傾斜走行状態及び極低速走行状態の少なくとも１つに該当する旨の推定結果に応じて、第２回生ブレーキの制動力を減少させることにより、第２回生ブレーキが作動しないようにしてもよい。高抵抗走行状態及び上り坂走行状態で第２回生ブレーキの制動力を減少させることにより、走行性の悪化が抑制される。片傾斜走行状態で第２回生ブレーキの制動力を減少させることにより、下り傾斜方向に向かう蛇行が抑制され、走行の安定性の悪化が抑制される。極低速走行状態で第２回生ブレーキの制動力を減少させることにより、第２回生ブレーキによって得られる回生電力量よりも歩行補助車１００全体の消費電力量が大きくなることが抑制される。
　本実施形態によると、回生電力によってブレーキが制御されるため、使用中に歩行補助車１００が適切に動作しなくなることが抑制される。また、例えば歩行補助車１００を外部電源に接続して充電する必要がなくなる。
［変形例］本実施形態では、所定の場合に走行速度が一定となるように第１回生ブレーキを作動するが、これに限定されず、走行速度が一定となるように機械式ブレーキを作動してもよい。
　本実施形態では、上記式（１）～（５）に基づいてＰＷＭ制御を行ったが、これに限定されず、現在の走行速度に対するデューティ比の数値テーブルに基づいて、ＰＷＭ制御を行ってもよい。この数値テーブルでは、例えば、図５に示すような制動力を実現するようなデューティ比が各走行速度に対して設定される。
　６軸慣性センサなどを用いて測定された地面の傾斜角に基づいて、制動力が調整されてもよい。また、ホール素子を電動発電機１０１に設け、ホール素子を用いて測定された走行速度及び加速度に基づいて、制動力が調整されてもよい。電動発電機１０１で生じた逆起電力を電圧センサ等を用いて測定し、測定された起電力を用いて測定された走行速度及び加速度に基づいて、制動力が調整されてもよい。
＜第２の実施形態＞第２の実施形態の図面及び説明では、第１の実施形態と同一又は同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。第１の実施形態と重複する説明を適宜省略し、第１の実施形態と相違する構成について重点的に説明する。
　第１の実施形態では、図６（ａ）に示すように、ブレーキトルクは、デューティ比がトルク発生デューティ比以下の場合にはほぼ０であり、トルク発生デューティ比を超えると急速に増加する。トルク発生デューティ比は走行速度と蓄電装置１０２の電圧とに依存するため、デューティ比の計算は比較的複雑である。また、走行速度と蓄電装置１０２の電圧が少しでも変動すると、トルク発生デューティ比の変動に伴って制動力が変動して走行の滑らかさがいくぶん失われる懸念があった。
　本実施形態の電源接続抵抗Ｒ１は、電動発電機１０１の抵抗よりも大きい。例えば、電動発電機１０１の抵抗０．３２［Ω］に対して、電源接続抵抗Ｒ１は１０［Ω］である。その結果、蓄電装置１０２の電圧または走行抵抗の変動によるトルク発生デューティ比の変動が無視できる程度に小さくなる。
　図６（ｂ）は、本実施形態のデューティ比とブレーキトルクとの関係を示す。図６（ｂ）に示すように、本実施形態のトルク発生デューティ比は０に近い値となる。また、ブレーキトルクはデューティ比に対して線形に増加する。
　トルク発生デューティ比は０に近い値であることから無視できるため、式（２）中のＢ／Ａを０とすると、本実施形態のブレーキ制御部１２３は、以下の式（３）に基づいてデューティ比を設定する。
　　ｐ＝Ｔ／Ａ　　式（３）
　図７を用いて、電源接続抵抗Ｒ１及び電動発電機１０１の抵抗に基づく、走行速度の変動により回生電力が変動した際の電動発電機１０１に流れる電流の増加量について説明する。この増加量が小さいほど、走行速度の変動に対する制動力のロバスト性は高い。図７中、横軸は電動発電機１０１の抵抗に対する電源接続抵抗Ｒ１の比率（抵抗比率）を示し、縦軸は回生電圧の増加量に対する電動発電機１０１に流れる電流の増加量の比率（増加比率）を示す。なお、図７では、回生電圧が２．５［Ｖ］、蓄電装置１０２の電圧が５［Ｖ］、第１ダイオードＤ１による端子間電圧（電圧降下）が０．６［Ｖ］、電動発電機１０１の抵抗が０．３２［Ω］の状態で、電動発電機１０１に０．１［Ａ］の電流が流れるようにデューティ比ｐを調整している。
　第１の実施形態では、電源接続抵抗Ｒ１＝０．１［Ω］、（電動発電機１０１の抵抗）＝０．３２［Ω］であるため、抵抗比率は０．３１２５である。そのため、図７に示すように、第１の実施形態の増加比率は３～３．５程度である。一方で、本実施形態の抵抗比率は約３１．２５である。そのため、図７に示すように、本実施形態の増加比率は０．１～０．３程度である。したがって、本実施形態は、第１の実施形態よりも走行速度の変動に対する制動力のロバスト性が高い。
　本実施形態によると、トルク発生デューティ比の変動に対して制動力が影響を受けにくくなるとともに、比較的小さい計算負荷でデューティ比を算出可能である。その結果、制動力の変動が抑制される。そのため、走行の円滑さがさらに増す。
＜第３の実施形態＞第３の実施形態の図面及び説明では、第１の実施形態と同一又は同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。第１の実施形態と重複する説明を適宜省略し、第１の実施形態と相違する構成について重点的に説明する。なお、以下の図８では、簡略化のためセンサ部１０４を省略している。後述する図１０～１３でも同様にセンサ部１０４を省略している。
　図８に示すように、本実施形態の蓄電装置１０２は、第１蓄電部１０２ａと、第１蓄電部１０２ａよりも容量が大きい第２蓄電部１０２ｂを含む。第１蓄電部１０２ａ及び第２蓄電部１０２ｂは、並列に接続される。第１蓄電部１０２ａには第１電源接続抵抗Ｒ１ａが接続され、第２蓄電部１０２ｂには第２電源接続抵抗Ｒ１ｂが接続される。第２電源接続抵抗Ｒ１ｂは第１電源接続抵抗Ｒ１ａよりも大きい。本実施形態の第１蓄電部１０２ａ及び第２蓄電部１０２ｂは、コンデンサである。
　図９（ａ）に示すように、第１蓄電部１０２ａの容量は比較的小さいため、回生電力が供給されると第１蓄電部１０２ａの電圧が制御装置１０５の動作電圧まで素早く高くなるが、蓄電量は少ない。また、走行速度が変動したときにブレーキトルクが変動しやすい。
　一方、図９（ｂ）に示すように、第２蓄電部１０２ｂの容量は比較的大きいため、蓄電量は多いが、回生電力が供給されても、第２蓄電部１０２ｂの電圧が制御装置１０５の動作電圧まで高くなって制御装置１０５が動作し出すまで時間がかかる。
　本実施形態では、容量が異なる第１蓄電部１０２ａ及び第２蓄電部１０２ｂが並列に接続される。図９（ｃ）に示すように、回生電力が供給されると、第１蓄電部１０２ａ及び第２蓄電部１０２ｂの両方が蓄電されるが、容量が比較的小さい第１蓄電部１０２ａの電圧が先に制御装置１０５の動作電圧に達する。その結果、制御装置１０５の動作電圧が早期に得られる。加えて、第１蓄電部１０２ａの電圧が制御装置１０５の動作電圧に達した後も、容量が比較的大きい第２蓄電部１０２ｂが蓄電されるため、十分な蓄電量が得られる。
　なお、当然ながら蓄電装置１０２は並列に接続され容量がそれぞれ異なる３つ以上の蓄電部を含んでもよい。また、図１０に示すように第１蓄電部１０２ａと第１電源接続抵抗Ｒ１ａとの間の端子と、第２蓄電部１０２ｂと第２電源接続抵抗Ｒ１ｂとの間の端子の間に、ダイオードＤ’を配置してもよい。
＜第４の実施形態＞第４の実施形態の図面及び説明では、第３の実施形態と同一又は同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。第３の実施形態と重複する説明を適宜省略し、第３の実施形態と相違する構成について重点的に説明する。
　図１１に示すように、本実施形態の歩行補助車１００は、第１蓄電部１０２ａ及び第２蓄電部１０２ｂの各々に接続された第３及び第４ダイオードＤ３及びＤ４を含む。本実施形態では、第１及び第３ダイオードＤ１及びＤ３が直列接続されるとともに、第２及び第４ダイオードＤ２及びＤ４が直列接続される。第１～第４ダイオードＤ１～Ｄ４は、電動発電機１０１の第１端子１０１Ａから第２端子１０１Ｂへの方向に電流を流す。
　回生による起電力がなくなると、蓄電装置１０２では、第１蓄電部１０２ａから第２蓄電部１０２ｂに電流が逆流し、図９（ｄ）に示すように第１蓄電部１０２ａと第２蓄電部１０２ｂとの間で蓄電量が平滑化される場合がある。この場合、蓄電装置１０２の電圧が制御装置１０５の動作電圧に達するまでに時間がかかる。
　本構成によると、第１及び第３ダイオードＤ１及びＤ３が直列接続されるため、第１蓄電部１０２ａから第２蓄電部１０２ｂへの電流の逆流が抑制される。その結果、図９（ｅ）に示すように、第１蓄電部１０２ａと第２蓄電部１０２ｂとの間での蓄電量の平滑化が抑制される。
＜第５の実施形態＞第５の実施形態の図面及び説明では、第４の実施形態と同一又は同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。第４の実施形態と重複する説明を適宜省略し、第４の実施形態と相違する構成について重点的に説明する。
　図１２に示すように、本実施形態では、第１及び第３ダイオードＤ１及びＤ３が並列接続される。また、第１及び第３ダイオードＤ１及びＤ３のカソード側の端子間には、蓄電制御用ＳＷ素子１３０が電気的に接続される。蓄電制御用ＳＷ素子１３０としては、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が用いられる。
　第１及び第３ダイオードＤ１及びＤ３が直列接続される場合、第１及び第３ダイオードＤ１及びＤ３による電圧降下が大きくなる。
　これに対して、本実施形態によると、第１及び第３ダイオードＤ１及びＤ３による電圧降下が抑制される。
　蓄電制御用ＳＷ素子１３０の制御について説明する。制御装置１０５が立ち上がっていないとき、蓄電制御用ＳＷ素子１３０はオフ状態である。オフ状態では、第１ダイオードＤ１、第１電源接続抵抗Ｒ１ａ及び第１蓄電部１０２ａと、第２ダイオードＤ２、第２電源接続抵抗Ｒ１ｂ及び第２蓄電部１０２ｂとが並列接続される。歩行補助車１００が走行して回生電力が生じると、電動発電機１０１から第１ダイオードＤ１を介して第１蓄電部１０２ａに、電動発電機１０１から第３ダイオードＤ３を介して第２蓄電部１０２ｂに、それぞれ独立に電流が流れる。その後、第１蓄電部１０２ａの電圧が先に制御装置１０５の動作電圧に達し、制御装置１０５が動作する。一方、第１及び第３ダイオードＤ１及びＤ３により、第１蓄電部１０２ａから第２蓄電部１０２ｂへの電流の逆流が抑制される。
　しかし、蓄電制御用ＳＷ素子１３０がオフ状態では、第１蓄電部１０２ａが制御装置１０５に電圧を供給する一方、第３ダイオードＤ３の作用により第２蓄電部１０２ｂは制御装置１０５に電圧を供給できない。よって、オフ状態では、蓄電装置１０２の蓄電量は容量が比較的小さい第１蓄電部１０２ａの蓄電量に実質的に等しく、少量の蓄電量しか得られない。
　これを回避するために、制御装置１０５は、その動作後に蓄電制御用ＳＷ素子１３０をオンに切り替える。これにより、第１及び第２ダイオードＤ１及びＤ２は並列接続されず、第１電源接続抵抗Ｒ１ｂ及び第１蓄電部１０２ａと、第２電源接続抵抗Ｒ１ｂ及び第２蓄電部１０２ｂとが並列接続される。その結果、第１蓄電部１０２ａ及び第２蓄電部１０２ｂの合成電圧が制御装置１０５に供給される。したがって、オン状態では、蓄電装置の蓄電量は第１蓄電部１０２ａ及び第２蓄電部１０２ｂの蓄電量の和となるため、大きな蓄電量が得られる。
＜第６の実施形態＞第６の実施形態の図面及び説明では、第１の実施形態と同一又は同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。第１の実施形態と重複する説明を適宜省略し、第１の実施形態と相違する構成について重点的に説明する。
　図１３に示すように、本実施形態の歩行補助車１００は、蓄電装置１０２に並列接続されたツェナーダイオードＺｄを含む。本構成によると、蓄電装置１０２の蓄電量が十分に増大して蓄電装置１０２を通して電流が流れにくくなったときに、電流がツェナーダイオードＺｄを介してバイパスされる。そのため、電動発電機１０１に電流が流れなくなることが抑制されるため、制動力の喪失が抑制され、また、蓄電装置１０２が耐圧を超えて壊れることを防ぐことができる。
　本発明は、電動歩行補助車に関する。
本体フレーム…１１、前輪…１２、後輪…１３、支持パッド…１４、ハンドルバー…１５、ブレーキレバー…１６、支持フレーム…２１、グリップ部…２３、ハンドル…２４、ブレーキシュー…２５、アーム部材…２６、収容部…２７、レバー…２８、シート部…３７、下段フレーム…５１、上段フレーム…５４、リンク機構…５５、軸…５６、後輪フレーム…５７、ブレーキユニット…６１、歩行補助車…１００、電動発電機…１０１、第１端子…１０１Ａ、第２端子…１０１Ｂ、蓄電装置…１０２、第１蓄電部…１０２ａ、第２蓄電部…１０２ｂ、ＰＷＭ制御用ＳＷ素子…１０３、センサ部…１０４、制御装置…１０５、電源接続抵抗…Ｒ１、角速度センサ…１１１、加速度センサ…１１３、速度センサ…１１５、角度センサ…１１７、走行状態推定部…１２１、ブレーキ制御部…１２３、蓄電制御用ＳＷ素子…１３０。

Claims (15)

  1. 　車体に設けられた車輪と、
    　前記車輪の回転に応じて回生電力を発生する発電機構と、
    　前記発電機構が発生させた回生電力によって前記車輪に制動力を付与するブレーキを制御する制御装置と、
    　を含む電動歩行補助車。
  2. 　前記回生電力は使用者が本電動歩行補助車を能動的に動かしているときに発生するものである請求項１に記載の電動歩行補助車。
  3. 　前記制御装置は前記発電機構による回生ブレーキを常時作動する請求項１又は２に記載の電動歩行補助車。
  4. 　前記制御装置は本電動歩行補助車の走行状態を推定する走行状態推定部を含み、前記制御装置は前記走行状態推定部の推定結果に基づいて前記発電機構による回生ブレーキを作動する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電動歩行補助車。
  5. 　前記制御装置は、高抵抗走行状態、上り坂走行状態、片傾斜走行状態及び極低速走行状態の少なくとも１つに該当する旨の前記走行状態推定部の推定結果に応じて、前記回生ブレーキの制動力を減少させる請求項４に記載の電動歩行補助車。
  6. 　前記回生電力を蓄電する蓄電装置を含む請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電動歩行補助車。
  7. 　ＰＷＭ制御により前記発電機構に供給する電圧を調整可能なスイッチング素子と、
    　前記発電機構と前記蓄電装置との間に電気的に直列接続され且つ前記発電機構の抵抗よりも大きい電源接続抵抗と、を含み、
    　前記制御装置は、前記電動歩行補助車の走行速度に基づいて、前記ＰＷＭ制御のデューティ比を設定する請求項６に記載の電動歩行補助車。
  8. 　前記蓄電装置に並列接続されたツェナーダイオードを含む請求項７に記載の電動歩行補助車。
  9. 　ＰＷＭ制御により前記発電機構に供給される電圧を調整可能なスイッチング素子部を含み、
    　前記制御装置は、前記電動歩行補助車の走行速度と前記蓄電装置の電圧とに基づいて前記ＰＷＭ制御のデューティ比を設定する請求項６に記載の電動歩行補助車。
  10. 　前記制御装置は前記走行速度が所定の速度範囲内のときに前記蓄電装置の電圧の減少量が第１閾値よりも大きくなった場合に前記デューティ比を小さくする請求項９に記載の電動歩行補助車。
  11. 　前記デューティ比の下限値は前記制御装置が動作する電圧よりも大きい回生電圧を前記発電機構において発生可能なように定められる請求項９又は１０に記載の電動歩行補助車。
  12. 　前記制御装置は前記走行速度が所定の速度範囲内のときに前記蓄電装置の電圧の増加量が第２閾値よりも大きくなった場合に前記デューティ比を大きくする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の電動歩行補助車。
  13. 　前記蓄電装置は並列接続された容量の異なる複数の蓄電部を含む請求項６に記載の電動歩行補助車。
  14. 　前記蓄電部からの電流の逆流を抑制するように前記複数の蓄電部の各々に接続された複数のダイオードを含む請求項１３に記載の電動歩行補助車。
  15. 　前記複数のダイオードは並列接続される請求項１４に記載の電動歩行補助車。
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