JP2004049523A

JP2004049523A - 走行車の制御方法および装置

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Publication number: JP2004049523A
Application number: JP2002210764A
Authority: JP
Inventors: Seiichiro Katsura; 桂　誠一郎; Kohei Onishi; 大西　公平
Original assignee: Keio University
Current assignee: Keio University
Priority date: 2002-07-19
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】障害物等との衝突などにより生ずる衝撃力を緩和するとともに、走行面の状況が変わっても所望の操作特性を得ることができるようにすること。
【解決手段】ジョイスティック２の出力を仮想的な並進方向の力指令Ｆ_ｈｕｍと、回転方向の力指令Ｎ_ｈｕｍに変換し、並進方向制御系１０、回転方向制御系２０に入力する。力指令Ｆ_ｈｕｍ，Ｎ_ｈｕｍは、コンプライアンス制御手段１２，２２に入力され、また、反力推定手段７により推定された車椅子１に加わる外力Ｆ_ｅｎｖ，Ｎ_ｅｎｖの高周波成分はコンプライアンス制御手段１３，２３に入力され、人間の入力と上記外力に対してコンプライアンス制御を行う。制御手段１１，２１の出力は座標変換され、さらに電流信号に変換され、走行車１に与えられる。また、上記反力の低周波成分は適応制御手段１８に入力され、車椅子１と走行面との間の摩擦力に応じた値で力指令Ｆ_ｈｕｍへの変換係数を変化させる。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動車椅子、電動台車、電動自転車や、無線等で操縦される移動式マニピュレータ等に適用することができる走行車の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
少子高齢化社会をむかえ、人間のパートナーとしてのロボットの役割が期待されており、介助用ロボット等を含む各種の機器が開発されている。
介助用機器として用いられる移動支援機器の代表的なものとしてパワーアシスト機能を備えた電動車椅子がある。この種の電動車椅子は、乗る人の手で車椅子を操作するためのハンドル等の操作桿が設けられ、上記操作桿に加わった操作力に応じて、左右一対の主輪を駆動して車椅子を走行させるものである。
また、同様に、人の操作力に応じた力で電動機を駆動することにより、比較的小さな操作力で車を走行させるものとして、電動自転車や電動台車等が知られている。
上記電動車椅子としては、例えば特開平９−２４８３１９号公報に開示されるものがある。上記公報に記載されるものは、走行抵抗が変化しても、過不足がない適切な制御を行うため、ハンドルに加える操作力と車速と走行抵抗に基づいて、電動機による補助力を制御するようにしたものであり、これにより走行フィーリングの良好な電動車椅子を提供するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に開示されるものは、走行負荷に対して過不足がない適切な制御を行うことができるが、予め定められた係数で制御を行うものであり、複雑な環境に柔軟に対応することができない。
一方、従来の電動車椅子は、障害物などに衝突した場合には、機械的にクッションなどをつけることにより衝撃力を緩和していた。しかし、いくらクッションなどを使用しても、車輪が駆動し続けてしまっていては、その意味がなくなってしまう。
また、外力の検出には力センサを用いているものが多いが、外力が力センサのついている部分だけでしか検出されない、つまり外力の加わる部分をあらかじめ想定しているということは、複雑な環境に対応することができない。
さらに、従来の電動車椅子など、人間の力をアシストして動く車では、アシスト比（モータによる駆動力／人力による駆動力）が一定であり、人間が環境の変化に応じて力を変化させなければならなかった。
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、本発明の第１の目的は、環境の変化に対して柔軟に対応することができ、障害物等との衝突や走行面の状況の変化などにより生ずる衝撃力を緩和するとともに、人間の指令に対して柔らかい動作をさせることができる走行車の制御装置を提供することである。
本発明の第２の目的は、アシスト比を可変とし、人間は一定の力を加えるだけで搭乗者や走行面の状況が変わったときでも所望の操作特性を得ることができる走行車の制御装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を本発明においては、以下のようにして解決する。
走行車を操作するためのジョイスティック、あるいは、トルクセンサの出力を仮想的な並進方向の力指令と、回転方向の力指令に変換する。
そして、反力推定手段等により上記走行車に加わる外力を求め、上記ジョイスティックやトルクセンサによる人間の入力と、上記環境からの外力に対して、コンプライアンス制御を行う。
すなわち、力指令を第１の２次遅れ要素に入力して指令信号を求め、また、上記走行車に加わる外力を求め、この外力を第２の２次遅れ要素に入力して、外力のフィードバック信号を求め、走行車からのフィードバック信号と、上記第１の２次遅れ要素が出力する指令信号、および上記第２の２次遅れ要素が出力する外力のフィードバック信号とに基づき、走行車の駆動信号を求め、上記駆動手段により走行車の走行を制御する。
これにより、障害物に衝突した場合等の衝撃を緩和し、環境からの外力に対しても柔らかい制御を行うことができる。特に、人間の入力と、上記環境からの外力のそれぞれに対して、コンプライアンス制御を行っているので、人間の力に対する位置応答性、外力に対する位置応答性を独立に設計することができ、位置制御性能を維持しつつ、外力に対して所望のコンプライアンス特性を確保することができる。
また、走行車に加わる外力を、高周波成分をカットするローパスフィルタに入力し、該ローパスフィルタの出力に基づき、走行車と走行面との間の摩擦力を求め、上記摩擦力に応じた値で、上記操作量を力指令に変換する変換係数を変化させることにより、走行車の重量の変動や走行面の状況が変化しても、所望の操作特性を得ることができる。
さらに、上記走行車に加わる外力を、低周波成分をカットするハイパスフィルタを介して上記第２の２次遅れ要素に入力することにより、走行面の摩擦力の変動、走行車の重量等の影響を受けることなく、障害物との衝突等により生ずる急激な外力の変動に対して、柔らかな応答特性を得ることができ、障害物との衝突等による衝撃を緩和することができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施例の制御装置の全体構成を示す図、図２は本実施例の適用対象である電動車椅子の概念構成を示す図である。なお、以下の実施例では、本発明を電動車椅子に適用した場合について説明するが、本発明は、前記したように電動台車、電動自転車、無線等で操縦される移動式マニピュレータ等、人の操作により移動する各種の走行車に適用することができる。
図１において、１は電動車椅子であり、電動車椅子１は、図２に示すように本体部１ａと一対の車輪１ｂから構成され、図示しないが一対の車輪１ｂをそれぞれ駆動するモータと、該モータや制御装置に電源を供給するバッテリーと、電動車椅子１を操作するためのジョイスティック２を備える。また、図１に示す制御装置は通常、電動車椅子１の本体部１ａに搭載される。
【０００６】
人間は電動車椅子１に搭載されたジョイスティック２を操作することにより、電動車椅子１の制御装置に指令を与える。本実施例では、ジョイスティック２としてＸ方向、Ｙ方向の２軸のものを使用する。
図３はジョイスティック２をモデリングした図であり、ジョイスティック２の操作桿の操作量、操作方向に応じて、ジョイスティック２から同図に示すｘ_ｊｏｙ，ｙ_ｊｏｙの操作信号が出力される。
図１に示す操作信号→力変換手段３は、以下の（１）（２）式により、上記操作信号ｘ_ｊｏｙ，ｙ_ｊｏｙを仮想的な力指令Ｆ_ｈｕｍとトルク指令Ｎ_ｈｕｍに変換する。なお、（１）（２）式におけるＫ_Ｆ，Ｋ_Ｎ等の値は、車椅子の移動空間において制御装置を設計するときに定められる値であり、後述するように、上記変換係数Ｋ_Ｆを可変にすることで、搭乗者や走行面の状況が変化した場合にも所望の操作特性が得られる。
【０００７】
【数１】

【０００８】
上記仮想的な力指令Ｆ_ｈｕｍとトルク指令Ｎ_ｈｕｍに対応する駆動信号は、最終的に車椅子１の左右両輪１ｂを駆動するモータに与えられ、図２に示すように車椅子１の並進方向への駆動力Ｆ_ｈｕｍ、回転方向への駆動力Ｎ_ｈｕｍを発生させる。
【０００９】
上記力指令Ｆ_ｈｕｍとトルク指令Ｎ_ｈｕｍは、それぞれ図１に示す並進方向制御系１０、回転方向制御系２０に与えられる。
並進方向制御系１０は、制御手段１１、コンプライアンス制御手段１２，１３、ハイパスフィルタ１４、座標変換手段１５，１６を備え、車椅子１からフィードバックされる速度信号θ’^ｒｅｓ、反力推定手段７が出力する走行面との摩擦、障害物との衝突等（以下これらを合わせて環境という）により生ずる反力τ_ｅｎｖ、逐次更新される車椅子１の現在位置、速度を表す位置信号Ｘ^ｃｍｄ、速度信号Ｘ’^ｃｍｄ、および、上記操作量→力変換手段３が出力する力指令Ｆ_ｈｕｍに基づき、並進方向の加速度指令Ｘ”^ｒｅｆを出力する。
一方、回転方向制御系２０は、制御手段２１、コンプライアンス制御手段２２，２３、ハイパスフィルタ２４、座標変換手段２５，２６を備え、車椅子１からフィードバックされる速度信号θ’^ｒｅｓ、反力推定手段７が出力する外部環境により生ずる反力τ_ｅｎｖ、逐次更新される車椅子１の現在の回転角度、回転速度を表す回転角度信号φ^ｃｍｄ、回転速度信号φ’^ｃｍｄ、および、上記操作量→力変換手段３が出力するトルク指令Ｎ_ｈｕｍに基づき、回転方向の加速度指令φ”^ｒｅｆを出力する。
なお、図中では、上記速度、加速度等の微分信号を、上にドット１つあるいはドット２つを付して示すが、文中では、上記のように「’」，「”」を付して示す。
【００１０】
上記並進方向制御系１０、回転方向制御系２０が出力する加速度指令Ｘ”^ｒｅｆ、φ”^ｒｅｆは座標変換手段４に与えられ、車椅子１の両輪の角加速度指令θ”^ｒｅｆに変換され、さらに、上記角加速度指令θ”^ｒｅｆは、θ”→Ｉ変換手段５により電流指令Ｉ^ｒｅｆに変換される。
一方、外乱推定手段６により、車椅子１に加わる外乱が推定され、外乱推定手段６から外乱量に応じた電流信号Ｉ^ｃｍｐが出力される。上記θ”→Ｉ変換手段５が出力する電流指令Ｉ^ｒｅｆと、外乱推定手段６が出力する電流信号Ｉ^ｃｍｐは、加算され車椅子１の両輪を駆動するモータ制御装置（図示せず）に与えられ、車椅子１が駆動される。
また、反力推定手段７は、外部環境により生ずる外力を推定し、推定外力τ_ｅｎｖを出力する。反力推定手段７が出力する推定外力τ_ｅｎｖは、並進方向制御系１０、回転方向制御系２０の座標変換手段１５，２５によりそれぞれ並進方向の成分であるＦ_ｅｎｖ成分、回転方向の成分であるＮ_ｅｎｖ成分に変換され、ハイパスフィルタ１４，２４により高周波成分が取り出され、並進方向制御系１０、回転方向制御系２０のコンプライアンス制御手段１３，２３に与えられる。
【００１１】
コンプライアンス制御は、外界から力を受けた場合に外力に倣うように軌道補正を行なうという制御手段であり、これにより環境との安定な接触を実現することができ、車椅子の走行に柔軟性を持たせることが可能となる。
本実施例では、ジョイスティック２による人間の入力と反力推定手段７によって推定された環境からの外力にコンプライアンス制御を適用している。
上記コンプライアンス制御手段１３，２３およびコンプライアンス制御手段１２，２２は、後述するように、模式的に質量とバネとダンパーで表される２次遅れ要素からなる緩衝制御系に相当するものであり、入力信号である推定外力τ_ｅｎｖのＦ_ｅｎｖ成分、Ｎ_ｅｎｖ成分をゆっくりと変化する出力信号に変換する。
したがって、例えば車椅子が障害物に衝突した際に、急激に変化する外力が生じても、並進方向制御系１０、回転方向制御系２０の制御手段１１，２１にフィードバックされる信号は、ゆっくりと変化した信号となり、制御系に柔らかい応答をさせることができる。
同様に、ジョイスティック２の操作力をコンプライアンス制御手段２２，２３に入力することにより、ジョイスティック２の出力をゆっくり変化する信号に変換することができ、ジョイスティック２を急激に操作しても、制御系に柔らかい応答をさせることができる。
【００１２】
さらに、上記反力推定手段７が出力する推定外力τ_ｅｎｖのＦ_ｅｎｖ成分は、ローパスフィルタ１７に入力され、低周波分が取り出され、適応制御手段１８に入力される。
適応制御手段１８は後述するように、Ｆ_ｅｎｖの低周波成分から走行面の摩擦力を求め、該摩擦力に応じて、操作量→力変換手段３における力指令Ｆ_ｈｕｍへの変換係数〔前記（１）式におけるＫ_Ｆ〕（以下ゲインともいう）を変える。
例えば、走行面の摩擦係数が大きくなった場合には、上記ゲインを大きくして、ジョイスティックの操作量が同じ量でも、車椅子に与える駆動力を大きくする。これにより、例えば搭乗者や走行面の状況が変化した場合にも所望の操作特性が得ることができる。
【００１３】
図４、図５は上記並進方向制御系１０、回転方向制御系２０の詳細ブロック図である。同図は、図１の並進方向制御系と、回転方向制御系を分けて２枚の図で表したものであり、図４は並進方向制御系１０の構成を示し、図５は回転方向制御系２０の構成を示しており、図１と同一のものには同一の符号が付されている。
なお、図４、図５では、ジョイスティック２、操作量→力変換手段３、座標変換手段４、θ”→Ｉ変換手段５、車椅子１、外乱推定手段６、反力推定手段７をそれぞれ示しているが、これらは、図１に示したように共通部分である。
また、図４、図５では、車椅子１の車輪の回転角度θ^ｒｅｓを、回転速度θ’^ｒｅｓに変換するブロック１ｃ〔（ｓｇ／ｓ＋ｇ）のブロック〕を示しているが、図１では、車椅子１とブロック１ｃをまとめて車椅子１とし、車椅子１の出力を回転速度θ’^ｒｅｓとしている。
【００１４】
以下、図４、図５の各部について説明する。
（１）外乱推定手段６
本実施例では、車椅子に作用する外乱を推定する外乱推定手段６を用いる。外乱推定手段６は、パラメータ変動も含め、車椅子に作用する外乱の総和を推定し、推定された外乱をフィードバックすることにより、外乱を相殺する。これによりロバストな制御系を構成することができる。
上記外乱推定手段６は、例えば、村上俊之，　中村亮，　郁方銘，　大西公平：　”　反作用力推定オブザーバに基づいた多自由度ロボットの力センサレスコンプライアンス制御”　日本ロボット学会誌，　Ｖｏｌ．１１，　Ｎｏ．　５，　ｐｐ．７６５−７６８，　（１９９３）　（以下論文１という）、西川直樹，　藤本康孝，　村上俊之，　大西公平：　”　環境変動を考慮した３　次元２　足歩行ロボットの可変コンプライアンス制御”　電気学会産業応用部門誌，　Ｖｏｌ．１１９−Ｄ，Ｎｏ．１２，　ｐｐ．１５０７−１５１３，　（１９９９）　（以下論文２という）に記載されており、本実施例においても、上記論文１、論文２に記載されるものを使用することができる。
図６に外乱推定手段６のブロック図を示す。同図に示すように、外乱推定手段６は、車椅子の車輪の回転速度θ’^ｒｅｓと、入力電流Ｉ_ａを取り込み、車椅子１に作用する外乱を推定し、Ｉ_ｃｍｐを出力する。
推定された外乱は次の（３）式のようになる。
【００１５】
【数２】

【００１６】
ここで、ｇ_ｄｉｓは外乱推定手段６のゲインであり、外乱推定手段６によって推定された外乱τ_ｄｉｓは、電流信号Ｉ_ｃｍｐとして、前記電流指令Ｉ^ｒｅｆと加算され、車椅子１に入力される。
【００１７】
（２）反力推定手段７
環境により生ずる外力を検出するために、本実施例では反力推定手段７を用いる。上記反力推定手段７は、前記した論文１、論文２に記載されており、本実施例においても、上記論文１、論文２に記載されるものを使用することができる。図７に、反力推定手段７のブロック図を示す。反力推定手段７は、τ_ｉｎｉｔを差し引くようにした点を除き、上記外乱推定手段６と同様の構成であり、車椅子の車輪の回転速度θ’^ｒｅｓと、入力電流Ｉ_ａを取り込み、車椅子１に作用する外力を推定し、τ_ｅｎｖを出力する。
また、推定された外力は、前記（４）式のようになる。
ここで、ｇ_ｒｅａｃは反力推定手段７のゲインであり、τ_ｉｎｉｔは慣性行列のノミナル値との差である。反力推定手段７によって推定された外力τ_ｅｎｖは、座標変換手段１５，２５により、並進方向の成分であるＦ_ｅｎｖ、回転方向の成分であるＮ_ｅｎｖに変換される。
上記変換は、次の（５）式により行われる。
【００１８】
【数３】

【００１９】
上記座標変換手段１５，２５により変換されたＦ_ｅｎｖ成分、Ｎ_ｅｎｖ成分は、ハイパスフィルタ１４，２４に入力され、高周波成分のみが取り出され、コンプライアンス制御手段１３，２３に入力される。したがって、コンプライアンス制御手段１４，２４は車椅子１に作用する反力のうちの高周波成分にみに応答し、走行面の摩擦力、搭乗者の重量等に影響されない。
【００２０】
（３）コンプライアンス制御手段１２，１３，２２，２３
前記したように、本実施例では、ジョイスティック２による人間の入力と、反力推定手段７によって推定された環境からの外力に対して、コンプライアンス制御を適用している。
まず、人間の入力について仮想インピーダンス特性行列Ｍｃ　_ｈｕｍ，Ｄｃ　_ｈｕｍ，Ｋｃ　_ｈｕｍを設定すると、仮想インピーダンスモデルは次の（６）式で与えられる。
【００２１】
【数４】

【００２２】
ここで、Ａｃ　_ｈｕｍは人間の入力の増幅ゲインである。（６）式をブロック図で示すと、図８のように２次遅れ要素となる。
また、同様にして環境からの外力についても仮想インピーダンスモデルを設定すると、（７）式のようになる。
【００２３】
【数５】

【００２４】
ここで、Ａｃ　_ｅｎｖは外力のフィードバックゲインである。（７）式をブロックで示すると図９のように２次遅れ要素となる。
図４に示すコンプライアンス制御手段１２，１３は、位置、速度、加速度指令値Ｘｃ　_ｈｕｍ，Ｘ’ｃ　_ｈｕｍ，Ｘ”ｃ　_ｈｕｍ、および、位置、速度、加速度フィードバック信号Ｘｃ　_ｅｎｖ，Ｘ’ｃ　_ｅｎｖ，Ｘ”ｃ　_ｅｎｖが出力されるように、図８、図９に示すブロック図〔（６）（７）式〕を変形したものであり、上記位置、速度、加速度指令値および位置、速度、加速度フィードバック信号を制御手段１１に出力し、コンプライアンス動作を実現する。
上記では、並進方向のＦ_ｈｕｍ，Ｆ_ｅｎｖ成分について説明したが、コンプライアンス制御手段２２，２３においても、上記と同様であり、上記（６）（７）式、図８、図９の、Ｆ_ｈｕｍ，Ｆ_ｅｎｖをそれぞれＮ_ｈｕｍ，Ｎ_ｅｎｖに置き換え、Ｘをφに置き換えればよい。
【００２５】
（４）制御手段１１，２１
制御手段１１には、現在位置、速度を示す位置信号Ｘ^ｃｍｄ、速度信号Ｘ’^ｃｍｄおよび上記コンプライアンス制御手段１２が出力する位置、速度、加速度指令値Ｘｃ　_ｈｕｍ，Ｘ’ｃ　_ｈｕｍ，Ｘ”ｃ　_ｈｕｍ、および、コンプライアンス制御手段１３が出力する位置、速度、加速度フィードバック信号Ｘｃ　_ｅｎｖ，Ｘ’ｃ　_ｅｎｖ，Ｘ”ｃ　_ｅｎｖおよび、車椅子１の車輪の角速度θ’^ｒｅｓを座標変換手段１６により変換した速度フィードバック信号Ｘ’^ｒｅｓが入力される。
制御手段１１は、図４に示すように、現在位置指令Ｘ^ｃｍｄと、座標変換手段１６が出力するＸ’^ｒｅｓを積分した位置フィードバック信号Ｘ^ｒｅｓとの偏差からコンプラインアンス制御手段１２，１３が出力する位置信号Ｘｃ　_ｈｕｍ，Ｘｃ　_ｅｎｖを減じて係数Ｋｐを乗じて位置偏差分を求め、また、上記速度フィードバック信号Ｘ’^ｒｅｓと、現在位置に対応した速度指令Ｘ’^ｃｍｄとの偏差から、コンプラインアンス制御手段１２，１３が出力する速度信号Ｘ’ｃ　_ｈｕｍ，Ｘ’ｃ　_ｅｎｖを減じて係数Ｋｖを乗じて速度偏差分を求め、さらに上記位置偏差分と速度偏差分の和からさらに、コンプラインアンス制御手段１２，１３が出力する加速度信号Ｘ”ｃ　_ｈｕｍ，Ｘ”ｃ　_ｅｎｖを減じることにより、並進方向の加速度指令Ｘ”^ｒｅｆを求める。
すなわち、上記制御手段１１は、次の（８）式により、上記並進方向の加速度指令Ｘ”^ｒｅｆを出力する。これにより、コンプライアンス動作を実現することができる。
【００２６】
【数６】

【００２７】
上記現在位置、速度を示す位置信号Ｘ^ｃｍｄ、速度信号Ｘ’^ｃｍｄは、ジョイスティック２の操作指令により車椅子が移動し、車椅子の位置、速度が更新される毎に逐次更新される。
なお、本実施例では、位置信号Ｘ^ｃｍｄ、速度信号Ｘ’^ｃｍｄとして現在位置、速度を与えており、人間がジョイスティック２を操作しないときは、車椅子１が停止するようにしているが、上記位置信号Ｘ^ｃｍｄ、速度信号Ｘ’^ｃｍｄとして予め定められた軌道に沿って変化する信号を与えることにより、車椅子を軌道に沿って移動させることができ、ジョイスティック２の操作に応じて、車椅子を上記軌道から変位させることができる。
上記では、並進方向のＦ_ｈｕｍ，Ｆ_ｅｎｖ成分について説明したが、制御手段２１においても、上記と同様にして、回転方向の加速度指令φ”^ｒｅｆを出力する。なお、制御手段２１の場合には、上記（８）式のＸをφに置き換えればよい。
【００２８】
本実施例では、上記のように、ジョイスティック２による人間の入力と、反力推定手段７によって推定された環境からの外力に対して、それぞれ、コンプライアンス制御を適用しているので、位置指令、回転方向指令に対する位置・回転方向応答特性と、人間の力に対する位置・回転方向応答性、そして環境からの外力に対する位置・回転方向応答特性を独立に設計することができる。
そのため、位置・回転方向制御性能を維持しつつ所望のコンプライアンス特性を実現することが可能である。
また、並進方向、回転方向の環境のモードに対してもコンプライアンス特性を独立に設計することが可能である。例えば、車椅子の一方の車輪が小石につまずいてしまったような場合、並進方向に関しては柔らかくし、回転方向に関しては堅い制御をすると、石を乗り越えるようなこともできる。
したがって、コンプライアンス特性を変えることで、目的に応じて人間が使いやすいように車椅子の走行特性を変化させることが可能である。
【００２９】
（５）座標変換手段１６，２６、座標変換手段４、およびθ”→Ｉ変換手段５
上記車椅子１を、図１０に示すモデルで表し、車椅子１のパラメータを以下のように定義する。
ｘ_０　：世界座標系における参照点のｘ座標
ｙ_０　：世界座標系における参照点のｙ座標
φ　　：車椅子の方向角
Ｒ　　：駆動輪の半径
Ｗ　　：トレッド
θｒ　’：右輪の回転角
θｌ’：左輪の回転角
上記車椅子１の駆動輪１ｂの中点Ｐｏ（ｘ_０，ｙ_０）を制御参照点とすると、車椅子１の位置および姿勢は次の（９）式で与えられる。
また、上記車椅子１の運動学は次の（１０）式で与えられ、（１１）式に時間微分を施すと、次の（１２）式が得られる。
これより、以下の（１２）式に示す世界座標系における加速度指令Ｘ”^ｒｅｆ，加速度指令φ”^ｒｅｆから、角加速度指令θ”^ｒｅｆを求めることができる。
【００３０】
【数７】

【００３１】
座標変換手段１６，２６は、車椅子１の回転加速度θ’^ｒｅｓを上記（１０）式により、速度フィードバック信号Ｘ’^ｒｅｓ，φ^’ｒｅｓに変換する。
また、座標変換手段４は制御手段１１，２１が出力する加速度指令Ｘ”^ｒｅｆ，φ”^ｒｅｆを上記（１２）式により車椅子の両輪の回転加速度指令θ”^ｒｅｆに変換する。
【００３２】
また、車椅子の重心位置が、図１０に示すＰ_０であるとすると、運動エネルギー関数Ｋは、（１３）式で定義される。
これより、Ｌａｇｒａｎｇｅ方程式を解くことにより、動力学関係式が次の（１４）（１５）式のように定義される。ここで、Ｍθは等価慣性行列である。
【００３３】
【数８】

【００３４】
上記θ”→Ｉ変換手段５は、上記（１４）式により回転加速度指令θ”^ｒｅｆをトルク指令に変換し、トルク指令を車椅子の両輪を駆動するモータへの電流指令Ｉ^ｒｅｆに変換する。
【００３５】
（６）適応制御手段１８
適応制御手段１８は、前記したように、Ｆ_ｅｎｖの低周波成分から走行面の摩擦力を求め、該摩擦力に応じて、操作量→力変換手段３における力指令Ｆ_ｈｕｍへの変換係数〔前記（１）式におけるＫ_Ｆ〕を変える。
図４に示すように、反力推定手段７で推定した環境より車椅子１にかかる外力Ｆ_ｅｎｖをローパスフィルタ１７に入力する。
Ｆ_ｅｎｖのうち、ローパスフィルタ１７が出力する周波数の低い成分は定常的な外乱であるので、車椅子１と床の摩擦による成分とみなすことができる。
この摩擦力を車椅子の速度Ｘ’^ｒｅｓで割ることで、環境の摩擦係数μ_ｅｎｖを同定することができる。
環境の摩擦係数μ_ｅｎｖは搭乗者の重量や走行面の摩擦などをすべて含んでいる。したがって、それらの変動に適応することが可能である。
そして、この摩擦係数μ_ｅｎｖを所望の環境の摩擦係数μ_０で割り、操作量→力変換手段３における係数Ｋ_Ｆを求める。
このように、係数Ｋ_Ｆを可変にすることで、搭乗者や走行面の状況が変化した場合にも所望の操作特性を得ることができる。すなわち、搭乗者や走行面の状況に応じて、アシスト比を可変にすることができ、人間は一定の力を加えるだけで走行面の状況が変わったときでも同じ操作量を得ることができる。
【００３６】
以上のように、本実施例においては、環境からの反力を反力推定手段により推定し、推定した反力をハイパスフィルタ１４，２４と、ローパスフィルタ１７とにより、高周波成分と低周波成分とに分け、高周波成分は障害物との衝突による成分であるので、衝撃力を和らげるコンプライアンス制御を行い、また、低周波成分は、車輪と走行面との間の摩擦力であるので、摩擦力に応じて上記のように操作量→力変換手段３における係数Ｋ_Ｆ変えている。
このため、障害物との衝突等により生ずる急激な反力に対しては、柔らかい制御を行うことができ、また、走行面の摩擦係数の変化に対しては、適切なアシスト比に設定することができる。
すなわち、路面がジャリ道になったり、車椅子の重さが重くなった場合でも、人間は同じ力を加えることで同じ速度を得ることができる。よって大幅な操作性の向上が期待できる。また、操作を誤って障害物に衝突した場合は、衝撃力の緩和を行っているので安全性も高めることが可能である。
【００３７】
なお、上記実施例では、ジョイスティックを用いる場合について説明したが、図１１に示すように、車椅子１に２個のトルクセンサ３１ａ，３１ｂを取り付け、トルクセンサ３１ａ，３１ｂの出力を並進方向の力と回転方向の力に変換するように構成してもよい。
このように構成すれば、前記ジョイスティックを用いる場合と同様、人が上記トルクセンサ３１ａ，３１ｂに加える力に応じて、車椅子１を任意の方向に動かすことができる。
また、ハンドルを人が押しながら前進させる電動台車、ゴルフカート等において、このハンドル部分に上記トルクセンサ３１ａ，３１ｂを取り付け、本実施例で示した制御装置により、電動台車、ゴルフカート等を駆動するように構成すれば、比較的小さな力で電動台車、ゴルフカート等を任意の方向に動かすことが可能となる。
トルクセンサ３１ａ，３１ｂを用いる場合、前記操作量→力変換手段３は、以下の（１６）式により並進方向の力Ｆ^Ｈ、回転方向のトルクＮ^Ｈに変換する。
トルクセンサ３１ａ，３１ｂを用いる場合にも、（１６）式における係数の値を適応制御手段１８の出力により変えることにより、ジョイスティックを用いる場合と同様に、搭乗者や走行面の状況が変化した場合にも所望の操作特性を得ることができる。
【００３８】
【数９】

【００３９】
本発明の効果を検証するため、人間が本実施例の車椅子１を操作し、途中で物体を押す実験を行った。
前記ゲインＫ_Ｆを一定としたときの実験結果を図１２〜図１４に示す。この実験は、ジョイスティックを一杯に倒して、途中で物に当てた場合（外力を増やした）　の車椅子の位置（図１２）、仮想的な力指令値（図１３）、ローパスフィルタを通した環境からの外力（図１４）を求めたものであり、図１２〜図１４の横軸は時間であり、矢印は物に当たった時点を示す。
図１２〜図１４に示すように、前記ゲインＫ_Ｆが一定の場合でも、環境からの外力にコンプライアンス制御を行っているので、物体との接触時における衝撃力を緩和し、物体と安定な接触を行うことができる。
しかし、前記ゲインＫ_Ｆが一定であるので、物体を押すことによる床との摩擦力の増加によって車椅子の速度は遅くなり、止まってしまうことがわかる。
【００４０】
また、前記適応制御手段１８を設けて前記ゲインＫ_Ｆを環境に応じて可変にしたときの実験結果を図１５〜図１７に示す。
図１２〜図１４と同様、ジョイスティックを一杯に倒して、途中で物に当てた場合（外力を増やした）　の車椅子の位置（図１５）、仮想的な力指令値（図１６）、ローパスフィルタを通した環境からの外力（図１７）を求めたものであり、横軸は時間であり、矢印は物に当たった時点を示す。
適応制御手段１８を設けた場合には、図１５〜図１７に示すように、環境の摩擦力が増えた場合においても、ゲインＫ_Ｆが可変になっているために、物体による摩擦力の影響を受けずに所望の動作特性が実現できていることが分かる。
また、車椅子が動き始める際に大きな静止摩擦が働くが、この例では滑らかに発進することが可能となっている。
上記実験により、環境の摩擦係数を同定し、その値に応じてゲインＫ_Ｆを可変にすることで、環境の変化に適応して所望の動作特性が実現できることを確認することができた。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、以下の効果を得ることができる。
（１）走行車を操作するためのジョイスティック、あるいは、トルクセンサの出力を仮想的な並進方向の力指令と、回転方向の力指令に変換し、反力推定手段等により上記走行車に加わる外力を求め、上記ジョイスティックやトルクセンサによる人間の入力と、上記環境からの外力に対して、コンプライアンス制御を行っているので、障害物に衝突した場合等、環境からの外力が急激に変化することにより生ずる衝撃を緩和し、環境からの外力に対しても柔らかい制御を行うことができる。
（２）特に、人間の入力と、上記環境からの外力のそれぞれに対して、コンプライアンス制御を行っているので、人間の力に対する位置応答性、外力に対する位置応答性を独立に設計することができ、位置制御性能を維持しつつ、外力に対して所望のコンプライアンス特性を確保することができる。
（３）走行車に加わる外力の低周波成分から、走行車と走行面との間の摩擦力を求め、上記摩擦力に応じた値で、上記ジョイスティック、あるいは、トルクセンサのゲインを変化させることにより、走行車の重量の変動や走行面の状況が変化しても、所望の操作特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の制御装置の全体構成を示す図である。
【図２】本実施例の適用対象である電動車椅子の概念構成を示す図である。
【図３】ジョイスティックをモデリングした図である。
【図４】並進方向制御系の詳細ブロック図である。
【図５】回転方向制御系の詳細ブロック図である。
【図６】外乱推定手段のブロック図である。
【図７】反力推定手段のブロック図である。
【図８】人間の入力から位置指令への変換のブロック図である。
【図９】外力から位置指令への変換のブロック図である。
【図１０】車椅子をモデル化した図である。
【図１１】トルクセンサによる入力を説明する図である。
【図１２】ゲインを一定にした場合の車椅子の位置変化を示す図である。
【図１３】ゲインを一定にした場合の仮想的な力指令値の変化を示す図である。
【図１４】ゲインを一定にした場合のローパスフィルタを通した外力の変動を示す図である。
【図１５】可変ゲインとした場合の車椅子の位置変化を示す図である。
【図１６】可変ゲインとした場合の仮想的な力指令値の変化を示す図である。
【図１７】可変ゲインとした場合のローパスフィルタを通した外力の変動を示す図である。
【符号の説明】
１　　　　　　　電動車椅子
２　　　　　　　ジョイスティック
３　　　　　　　操作信号→力変換手段
４　　　　　　　座標変換手段
５　　　　　　　θ”→Ｉ変換手段
６　　　　　　　外乱推定手段
７　　　　　　　反力推定手段
１０　　　　　　並進方向制御系
１１　　　　　　制御手段
１２，１３　　　コンプライアンス制御手段
１４　　　　　　ハイパスフィルタ
１５，１６　　　座標変換手段
１７　　　　　　ローパスフィルタ
１８　　　　　　適応制御手段
２０　　　　　　回転方向制御系
２１　　　　　　制御手段
２２，２３　　　コンプライアンス制御手段
２４　　　　　　ハイパスフィルタ
２５，２６　　　座標変換手段
３１ａ，３１ｂ　トルクセンサ

Claims

少なくとも走行車の位置信号をフィードバックし、指令値ととの偏差に基づき、駆動手段を駆動して走行車を移動させる走行車の制御方法であって、
操作量を力指令に変換し、
上記力指令を第１の２次遅れ要素に入力して指令信号を求め、
また、上記走行車に加わる外力を求め、
上記外力を第２の２次遅れ要素に入力して、外力のフィードバック信号を求め、
走行車からのフィードバック信号と、上記第１の２次遅れ要素が出力する指令信号、および上記第２の２次遅れ要素が出力する外力のフィードバック信号とに基づき、走行車の駆動信号を求め、上記駆動手段により走行車の走行を制御することを特徴とする走行車の制御方法。
上記走行車に加わる外力を、高周波成分をカットするローパスフィルタに入力し、該ローパスフィルタの出力に基づき、走行車と走行面との間の摩擦力を求め、
上記摩擦力に応じて、上記力信号への変換係数を変化させる
ことを特徴とする請求項１の走行車の制御方法。
上記走行車に加わる外力を、低周波成分をカットするハイパスフィルタを介して上記第２の２次遅れ要素に入力する
ことを特徴とする請求項１または請求項２の走行車の制御方法。
少なくとも走行車の位置信号をフィードバックし、指令値との偏差に基づき、駆動手段を駆動して、走行車を移動させる走行車の制御装置であって、
操作量を力指令に変換する手段と、
上記力指令を第１の２次遅れ要素に入力し、指令信号を求める第１のコンプライアンス制御手段と、
上記走行車に加わる外力を求める手段と、
上記外力の低周波成分をカットするハイパスフィルタと、
上記ハイパスフィルタの出力を、第２の２次遅れ要素に入力し、外力のフィードバック信号を求める第２のコンプライアンス制御手段と、
走行車からのフィードバック信号と、上記第１の２次遅れ要素が出力する指令信号、および上記第２の２次遅れ要素が出力する外力のフィードバック信号に基づき、上記駆動手段を制御する制御手段とを備えた
ことを特徴とする走行車の制御装置。
上記走行車に加わる外力を、高周波成分をカットするローパスフィルタに入力し、該ローパスフィルタの出力に基づき、走行車と走行面との間の摩擦力を求める手段と、
上記摩擦力に応じた値で、上記力信号への変換係数を変化させる手段を備えたことを特徴とする請求項４の走行車の制御装置。