JP2004113375A - パワーアシスト付運搬車 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】パワーアシスト付運搬車は、左右独立に駆動され推進と操舵とに兼用の駆動車輪、駆動モータ電流値を検出する走行状態検出手段、及びこれらを制御する制御手段を備え、車体に備えられた操作部に加えられた外力に基づいてパワーアシストされる。パワーアシスト動作において、外力が検出され(S103)、この情報に基づき操舵方向トルク指令値TR0が算出され(S105)、左右駆動モータ電流値から現在の駆動モータのトルクTR1が算出される(S107)。トルクの差|TR1−TR0|と片流れ判断値を比較して(S109)、片流れ発生の有無が判断され、片流れが防止される(S110)。
【選択図】 図4
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、車椅子、ゴルフカート、電動配膳車、手術台、工場用運搬台車等のパワーアシスト付運搬車に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、人力を動力によって補助するパワーアシスト付きの運搬車が知られている。例えば、図15に示される運搬車40は、車体41に駆動車輪42と自在車輪43を有し、車体41に設けられた操作ハンドル44に加えられた外力の大きさに応じて、駆動車輪42を駆動するものである。このようなパワーアシスト付運搬車は、操作ハンドル44に加えられた外力を、車体41の中心軸方向の力と左右方向の力とに分けて検出し、それぞれ推進方向、操舵方向の制御信号として用いて、左右の駆動車輪42の回転を独立に制御するようになっている。走行及び操舵の両方に対してパワーアシストする運搬車40は、操作者の人力により加えられた外力の大きさに応じて制御した駆動トルクのアシスト力を駆動源に発生させて走行(推進)したり、進行方向の変更動作(操舵)をすることができる。そして、矢印A1で示されるように進行方向側から操作者が運搬車40を引き、車体41の進行方向前方に駆動車輪42、後方に自在車輪43がある状態で運搬車40を操作する場合、運搬車40は、操作者の操作による外力に柔軟に追従して動作することができる。また、このようなパワーアシスト付運搬車においては、駆動車輪の走行速度を検出することにより、駆動源に発生させるアシスト力を補正し、操作性、安全性を高めることが行われている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特許第3032698号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した運搬車40は、図16に示されるように、駆動車輪42の側から押して矢印A2方向に走行動作をさせる場合、自在車輪43と重心Gが駆動車輪42よりも前方にあるので、運搬車を直進進させようとしても左右に振れやすく、特に坂道では、斜面下方向に向かう余分な力が運搬車40の重心に作用するので、直進安定性がさらに悪くなる。また、図17に示されるように、もっぱら操作者が押しながら運転する動力付車椅子50においても同様の問題がある。一般に、操作者から見て駆動車輪が自在車輪よりも操作者に近い位置にあり、重心が駆動車輪より遠い位置にあるとき運搬車を押して直進させようとしても左右に振れやすく、安定性が悪いという問題がある。この走行安定性が悪いという問題は、運搬車を傾斜路、不整地、凹凸路等において走行させる場合、路面の状況の影響を大きく受けるためさらに増幅されることになる。例えば、図18に示されるように、操作ハンドル101を介してパワーアシストが得られる動力付車椅子100を、路面Sが水平でない斜面上で、傾斜方向に対して横方向Dに、移動させようとした場合、従来の単純な駆動トルクの制御による運搬車は、斜面下方Cに向けて車体が流れるいわゆる片流れが発生し、これを修正しようとハンドル操作をすると蛇行してしまうことになる。また、傾斜路、不整地、凹凸路等のような平坦でない路面を走行する場合、駆動トルクのみの制御によるパワーアシストでは、運搬車の走行速度を安定して一定にすることができない。
【0005】
本発明は、上記の課題を解消するものであって、傾斜路、不整地、凹凸路等における走行時の直進安定性、片流れ防止、操作性、安全性を向上できるパワーアシスト付運搬車を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記の課題を達成するために、請求項1の発明は、車体の左右に配され左右独立に駆動されて推進と操舵とに兼用される駆動車輪と、前記各駆動車輪を駆動する駆動モータを備えた駆動部と、車体に備えられた操作部と、前記操作部に配され前記操作部に加えられた外力を検出する外力検出手段と、駆動車輪の回転数及び駆動モータの電流値を検出する走行状態検出手段と、前記外力検出手段で検出された外力と前記走行状態検出手段の情報に基づいて算出したアシスト力を前記駆動車輪に発生させる制御手段とを備えたパワーアシスト付運搬車において、運搬車が路面の影響を受けて走行方向が操作方向と異なる方向に流されていると判断するための片流れ判断値を記憶する記憶部を有し、前記制御手段は、前記外力検出手段で検出された操舵方向の力に応じて算出された操舵方向のアシスト力と前記走行状態検出手段により検出した左右駆動モータの電流値から算出した操舵方向の駆動トルクとの差が前記片流れ判断値以上の状態が一定時間以上継続した場合、前記差が前記片流れ判断値以下になるまで操舵方向のアシスト力を増減制御するものである。
【0007】
上記構成においては、操舵方向について運搬車を操作するためのアシスト力と、走行状態検出手段により求めた現実の操舵方向の駆動トルクとを比較して、斜面走行時の片流れの発生の有無を判断して、片流れを防止するので、傾斜路、不整地、凹凸路等において片流れを効率よく防止でき、傾斜路等においても平地同様に直進性良く運搬車を走行させることができる。
【0008】
請求項2の発明は、請求項1記載のパワーアシスト付運搬車において、前記走行状態検出手段は、路面の傾斜角度を検出する傾斜角検出手段を備え、傾斜角検出手段により検出した傾斜角度の大きさに基づいて前記片流れ判断値の値を切り替えるものである。
【0009】
上記構成においては、片流れの有無を判断する判断基準である片流れ判断値を、路面の傾斜の度合いによって変えることができるので、きめ細かく運搬車の制御ができ、操作性が向上する。
【0010】
請求項3の発明は、請求項1記載のパワーアシスト付運搬車において、車体重量検出手段を備え、該車体重量検出手段により検出された車体重量に基づいて前記片流れ判断値の値を切り替えるものである。
【0011】
上記構成においては、片流れの有無を判断する判断基準である片流れ判断値を、車重負荷の度合いによって変えることができるので、きめ細かく運搬車の制御ができ、操作性が向上する。また、平地での不必要なアシスト力の補正がなくなり、平地での操作性も向上できる。
【0012】
請求項4の発明は、請求項1記載又は請求項2記載のパワーアシスト付運搬車において、前記制御手段は、推進方向の路面傾斜角度、走行速度、モータ電流値の3つの関係情報を記憶部に備えているものである。
【0013】
上記構成においては、記憶部に備えたデータ及び走行状態検出手段からの情報に基づき、路面傾斜角度を随時推定可能となり、傾斜角度に応じてきめ細かな制御が可能になり、傾斜角度によらず登坂/降坂速度を一定にすることが可能となる。
【0014】
請求項5の発明は、車体の左右に配され左右独立に駆動されて推進と操舵とに兼用される駆動車輪と、前記各駆動車輪を駆動する駆動モータを備えた駆動部と、車体に備えられた操作部と、前記操作部に配され前記操作部に加えられた外力を検出する外力検出手段と、駆動車輪の回転数及び駆動モータの電流値を検出する走行状態検出手段と、前記外力検出手段で検出された外力と前記走行状態検出手段の情報に基づいて算出したアシスト力を前記駆動車輪に発生させる制御手段とを備えたパワーアシスト付運搬車において、前記制御手段は、外力検出手段で検出された外力を推進方向の力と操舵方向の力に分離し、前記操舵方向の力が所定の範囲内にあれば操舵角を0とする制御を行うことを特徴とするものである。
【0015】
上記構成においては、運搬車操作のための外力のうち操舵方向の力に注目し、この力が小さい範囲において操舵角を0とする、いわゆる不感帯又は遊びを設けることにしたので、操作者による操作に対し、操舵方向のアシスト力が過敏に発生されることがなく、操作力に起因する片流れ、ふらつき等の発生が防止でき直進性が向上する。
【0016】
請求項6の発明は、車体の左右に配され左右独立に駆動されて推進と操舵とに兼用される駆動車輪と、前記各駆動車輪を駆動する駆動モータを備えた駆動部と、車体に備えられた操作部と、前記操作部に配され前記操作部に加えられた外力を検出する外力検出手段と、駆動車輪の回転数及び駆動モータの電流値を検出する走行状態検出手段と、前記外力検出手段で検出された外力と前記走行状態検出手段の情報に基づいて算出したアシスト力を前記駆動車輪に発生させる制御手段とを備えたパワーアシスト付運搬車において、前記制御手段は、走行状態検出手段の出力から算出した左右駆動車輪の回転速度の差が所定の値以上である場合、左右の駆動モータの回転数が等しくなるように一定時間制御し、その後、位置移動又は走行速度が0になるように制御して停止させるものである。
【0017】
上記構成においては、運搬車の片流れが発生する前に、左右駆動車輪の回転速度差から片流れの発生を予測して運搬車を停止させるので、片流れによる急な旋回や移動が事前に防止できる。
【0018】
請求項7の発明は、車体の左右に配され左右独立に駆動されて推進と操舵とに兼用される駆動車輪と、前記各駆動車輪を駆動する駆動モータを備えた駆動部と、車体に備えられた操作部と、前記操作部に配され前記操作部に加えられた外力を検出する外力検出手段と、駆動車輪の回転数及び駆動モータの電流値を検出する走行状態検出手段と、前記外力検出手段で検出された外力と前記走行状態検出手段の情報に基づいて算出したアシスト力を前記駆動車輪に発生させる制御手段とを備えたパワーアシスト付運搬車において、前記制御手段は、走行状態検出手段の出力から算出した左右駆動車輪の回転速度の差が所定の値以上である場合、左右の駆動モータの回転数が等しくなるように一定時間制御し、その後、駆動車輪に配置した電磁ブレーキにより停止させるものである。
【0019】
上記構成においては、運搬車の片流れが発生する前に、左右駆動車輪の回転速度差から片流れの発生を予測して電磁ブレーキにより運搬車を停止させるので、片流れによる急な旋回や移動が事前に防止され、また、確実に運搬車を停止させることができる。
【0020】
請求項8の発明は、車体の左右に配され左右独立に駆動されて推進と操舵とに兼用される駆動車輪と、前記各駆動車輪を駆動する駆動モータを備えた駆動部と、車体に備えられた操作部と、前記操作部に配され前記操作部に加えられた外力を検出する外力検出手段と、駆動車輪の回転数及び駆動モータの電流値を検出する走行状態検出手段と、前記外力検出手段で検出された外力と前記走行状態検出手段の情報に基づいて算出したアシスト力を前記駆動車輪に発生させる制御手段とを備えたパワーアシスト付運搬車において、前記走行状態検出手段は、走行方向と直角方向の路面の傾斜角度を検出する傾斜角検出手段を備えるものである。
【0021】
上記構成においては、路面の傾斜状態の情報に基づいて、左右の駆動モータを個別に制御して、運搬車の片流れ防止するための対策を取ることができる。
【0022】
請求項9の発明は、講求項2又は請求項8記載のパワーアシスト付運搬車において、前記傾斜角検出手段は、ポテンショメータと、このポテンショメータの回転軸に連結され鉛直下方を指示する重りとから構成されているものである。
【0023】
上記構成においては、安価な路面傾斜角検出手段を実現できる。
【0024】
請求項10の発明は、請求項8記載のパワーアシスト付運搬車において、前記傾斜角検出手段は、前記走行状態検出手段の出力から算出した左右駆動車輪の回転速度の差が略0にもかかわらず前記走行状態検出手段により検出した左右の駆動モータの電流値が一定時間以上異なる場合、推進方向に対して直交する方向に路面が傾斜していると判断するものである。
【0025】
上記構成においては、左右の駆動車輪の電流負荷の違いから、車体の左右方向、すなわち走行方向に対して直角な方向の路面傾斜角を簡易に計算のみで算出できる。
【0026】
請求項11の発明は、請求項8記載のパワーアシスト付運搬車において、推進方向に対して直交する方向に路面が傾斜していることが前記傾斜角検出手段により検知された場合、前記制御手段は、前記操作部に加えられた操舵方向の力検出値に基づき、速度制御によるアシスト力を駆動車輪に発生させるものである。
【0027】
上記構成においては、運搬車の左右方向に傾斜した路面を走行する場合、操舵方向についてアシスト力を速度制御により発生させるので、一定速度の旋回が可能となり、登り方向や下り方向の旋回に対して平地と同じように走行制御ができて、片流れ防止や直進性向上、旋回ふらつき防止が図れる。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係るパワーアシスト付車椅子について、図面を参照して説明する。図面中の共通する部材には同一符号を付して重複説明を省略する。図1に示されるように、人を乗せて後方から押して移動する運搬車であるパワーアシスト付車椅子1は、座席を構成する車体2の中央付近の左右に駆動車輪3を有し、その前方に1対の自在車輪4を有している。左右の駆動車輪3はそれぞれ駆動モータ5により独立に駆動され、その駆動動力源は着脱可能なバッテリ51による。また、車体2の後方にある操作部6は、地上にいる人が歩きながら車椅子1を操作するため掴むハンドルであり、操作部6の固定部には操作部6に加えられる操作者からの外力を検出する外力検出手段7が備えられている。操作部6に人が前後方向6a(推進方向)および左右方向6b(操舵方向)に車椅子1を操作する外力(操作力)を加えると外力検出手段7により人の操作力が検出され、その情報が制御手段8に伝達されると共に、制御手段8から駆動モータ5にモータ駆動指令が出される。人の操作力の方向が前後方向6aであれば推進方向Fと後退方向Bに、また左右方向6bであれば、右旋回方向Rと左旋回方向Lに車椅子1の走行方向が向くように、モータ駆動指令により駆動車輪3が回転駆動されて車椅子1が走行運転される。車椅子1の走行状態は、走行状態検出手段9により駆動車輪3の回転数と駆動モータ5の駆動電流が検出され、その出力信号が制御手段8に伝達されることにより、制御手段8により把握される。駆動車輪3の回転数の計測は、例えば、タコメータや、駆動モータ5に配されたエンコーダによる駆動モータの回転数からの換算により行われる。
【0029】
車椅子1の制御と動作について説明する。制御手段9は、検出された人の操作力の大きさに応じて左右にある駆動車輪3を制御し、人の操作負荷を低減するように駆動モータ5の負荷を調整する。車椅子1の場合、駆動車輪3は車椅子1の左右に、また、自在車輪4は駆動車輪の前部左右に配されており、駆動車輪3が左右同じ回転数で回転すると、車椅子1は前後方向(矢印F,B)に移動する。また、駆動車輪3の回転数を左右で異なる回転数にすると車椅子1を旋回(矢印R,L)させることができる。
【0030】
また、制御の手順と内容を、図2を参照して説明する。操作部6に加えられた外力は、外力検出手段7により検出され、制御手段8において推進方向の力と操舵方向との力とに分解される。制御手段8は、推進方向の力に所要の力増幅率を乗ずることで推進力を算出すると共に、操舵方向の力に所要の力増幅率を乗ずることで操舵力を算出する。次に、制御手段8は、得られた推進力と操舵力の和の半分の値、(推進力+操舵力)/2、を一方の駆動モータ5のトルク出力とし、差の半分の値、(推進力−操舵力)/2、をもう一方の駆動モータ5のトルク出力とするように、トルク指令値を駆動モータ5に送って駆動車輪3を動作させる。このような、外力の検出からトルク指令値の出力の手順が、制御周期毎に繰り返されて、操作部に加えられた外力に所要の力増幅率を乗じたアシスト力が、駆動車輪3に発生される。
【0031】
次に、本発明の実施形態に係る運搬車の他の例であるパワーアシスト付台車を図3(a)(b)に示す。パワーアシスト付台車22は、車体2の中央左右下部に駆動車輪3を備え、車体2の中心軸上前後下部に自在車輪4を備えていいる。車体手前上部には操作部6が外力検出部7を介して設けられている。操作部6に前後の押し引きと及び左右回転のひねり動作による外力が加えられると、その外力が外力検出手段7により検出されると共に制御手段8に情報が出力される。制御手段8は、その情報をもとに推進と操舵のアシスト力を発生させるための指令値を算出し、指令値に基づいて駆動モータ5を制御する。
【0032】
(片流れの検出とトルク補正)
次に、パワーアシスト付車椅子1に片流れの検出と補正の制御を適用した例を図4の制御フローを参照して説明する。以後の説明において、運搬車として図1に示される車椅子1が想定されているが、以下の説明の対象は、この車椅子1に限定されるものではない。パワーアシスト制御のスタートの後、時間カウンタTCが0にリセットされて(S101)、時間カウントが開始される(S102)。次に、操作部6に加えられた外力を外力検出手段7が検出し(S103)、この情報は制御手段8に伝達され、制御手段8において推進方向の力と操舵方向との力に分離される(S104)。検出された操舵方向外力に所要の力増幅率が乗ぜられ、操舵方向トルク指令値TR0が算出される(S105)。次に、走行状態検出手段9により左右駆動モータ5の駆動電流値が検出され(S106)、制御手段8は、このモータ電流値から現在の駆動モータのトルクを算出し、左右駆動モータ5の駆動トルクの差を求めて、操舵方向の駆動トルク現在値TR1を算出する(S107)。次に、操舵方向の駆動トルクの指令値TR0と現在値TR1との差の絶対値、|TR1−TR0|、が求められ、この絶対値と、予め制御手段8に記憶された片流れ判断値とが比較される。差の絶対値の方が大きい場合(S108でYes)、時間カウンタTCの値が予め定められている時間上限と比較される。時間カウンタTCの値が時間上限を越えている場合(S109でYes)、駆動モータの電流が制御されて駆動トルクの差|TR1−TR0|がゼロになるように、操舵方向の駆動トルクが補正され(S110)、最終的にTR1=TR0の状態が実現する(S111でYes)。また、ステップS108でNoの場合、補正の必要がないと判断され、制御はスタート直後に戻って再スタートする。また、ステップS109でNoの場合、補正が必要な状態になるまで時間的余裕があると判断され、時間経過に対する変化待ちとなり、外力検出のステップS103から制御が再スタートする。制御手段8は、所定の制御周期で、上記ステップS101〜S111を繰り返して片流れの検出と補正の制御を継続する。
【0033】
上記のように、制御手段8は、外力検出手段7により検出した操舵方向のアシスト指令トルク(トルク指令値TR0)と左右の駆動モータの電流値から算出した操舵方向の駆動トルク(トルク現在値TR1)との差を求める。この差が予め定めた片流れ判断値と比較される。この差の方が大きいということは、指令値と実際に出力されている現在値とがかなり異なっていることを示しており、負荷が大きいか、路面抵抗が大きいか、又は、傾斜路で車輪が片流れしている等、何らかの外部要因による力が車体に作用していると考えられる。特に、傾斜路において旋回中にこのような状態が起こると、車体が急旋回して不安全となるので、操舵方向の駆動トルクについて重視して対応する必要がある。本実施形態においては、もしも、この差が片流れ判断値よりも大きい場合、操舵方向のアシスト指令トルクと操舵方向の駆動トルクが等しくなるように、操舵方何の駆動トルクが補正される。また、制御手段8は、時間カウンタを持っており、この時間カウンタは、前記指令及び駆動トルクの差が瞬時的な変動によって大きくなったとしても、むやみに補正処理が行われることがないようにして、操作感が悪化するのを防止している。
【0034】
(片流れ判断値を傾斜角度で切り替え)
次に、走行路面の傾斜角度の大きさにより前記片流れ判断値を選択し、傾斜の度合いによって設定値を変えて、きめ細かな運搬車の制御を行うことについて説明する。図5に示されるシステム構成のように、走行路面の傾斜角検出手段11を備え、傾斜角検出手段11により得られた路面の傾斜角度θの大きさに基づき、片流れ判断値を変化させることで、斜面における操舵方向制御を改善することができる。傾斜角検出手段11は、例えば、車体の座席下部側方に設置して傾斜角度θに応じて出力を変化させるものを用いることができる(後述)。傾斜角検出手段11の出力は、制御手段8に伝達され、制御手段8は、この出力により操舵方向の片流れ判断値を変えるよう設定される。水平面に対する車体2の傾斜角度と片流れ判断値との関係は予め実験によりデータテーブルとして決められ、車体2の傾斜角度が大きい程、片流れ判断値が小さくなるように設定される。例えば、傾斜角度θが0゜≦θ<1゜のとき片流れ判断値CV1、傾斜角度θが1゜≦θ<2゜のとき片流れ判断値CV2(CV1>CV2)などとすればよい。これは、車体2の傾斜が大きくなると車体2の片流れの動きも速くなり、それだけ制御手段8は、指令及び駆動トルクの差が小さい状態においても、迅速に反応する必要があるためである。また、反対に車体2の傾斜角度θが小さい場合は、それほど緊急に片流れを補正する必要がないため、片流れ判断値の方も大きくして、余り敏感に反応しないようにされている。このことは、平地において凹凸がある場合や小さい段差を越える場合に、むやみに補正が行われないようにする効果もある。
【0035】
(片流れ判断値を車体重量で切り替え)
次に、車体重量の大きさにより前記片流れ判断値を選択し、車体重量によって設定値を変えて、きめ細かな運搬車の制御を行うことについて説明する。図6のシステム構成図に示される車体重量検出手段12は、車体2の座席下部に設置され、ロードセル又は圧電センサ、バネ+ポテンショメータ等で座席にかかる荷重を計測する構造になっている。車体重量検出手段12の出力は、制御手段8に接続されており、制御手段8はこの出力により前記片流れ判断値を変えるように設定されている。車体重量Mと片流れ判断値CVの関係は、予め実験によりデータテーブルとして決められ、車体2の車体重量Mが小さい程、片流れ判断値が小さくなるように設定される。例えば、車体重量M1のとき片流れ判断値CV1、車体重量M2のとき片流れ判断値CV2である場合、CV1<CV2(但し、M1<M2)などとすればよい。これは、車体重量が小さくなると車体の片流れの動きも速くなり、それだけ制御手段の反応も迅速に行う必要が出てくるためである。また、反対に車体重量が大きい場合には動きも遅く、それほど緊急に片流れを補正する必要がないため、片流れ判断値の方も大きくして、あまり敏感に反応しないようにしている。
【0036】
(傾斜角度の推定)
次に、路面の傾斜角度を走行速度及び駆動モータの電流値から推定する、いわゆるソフトウエア的な傾斜角検出手段について、図7及び図8を参照して説明する。図7(a)(b)に示されるように、車椅子が登坂するときモータ電流値MIは増加して走行速度Vは減少し、車椅子が降坂するときモータ電流値MIは減少して走行速度Vは増加する。また、駆動モータの電流値MIは、駆動車輪の駆動トルクに換算することができる。これらのことから、制御手段は、路面傾斜角度θi、走行速度Vi、及び駆動車輪を駆動する駆動モータの電流値MI(又は、電流値MIから算出した駆動トルクTRi)の3つの関係情報を記憶した記憶部(データテーブル)を備えることにより、走行状態検出手段によって検出した走行速度V及びモータ電流値MIと、記憶部に記憶された関係情報(θi、Vi、MIi又はTRi)とに基づいて、路面傾斜角度θを推定することができる。
【0037】
前記、路面傾斜角度を推定するフローを、図8を参照して説明する。傾斜角推定フローのスタートの後、左右の駆動モータの回転数の検出(S61)と、回転数から車体の推進方向速度Vの算出が行われる(S62)。また、左右の駆動モータの電流値MIが測定され(S63)、電流値MIをもとに車体の推進方向の駆動トルクTRが算出される(S64)。そして、検出した推進方向の走行速度Vと駆動トルクTRとの組に対応する組が、記憶部のデータテーブル値から探し出され、その組(Vi、TRi)に対する傾斜角度θiが推定される(S65)。データテーブルは、駆動トルクの範囲をある一定範囲毎に分割して、駆動トルクの範囲毎に上記テーブルを持つことになる。このようなデータテーブルを持つことにより、特別なハードウェアを用いることなく、傾斜角度を推定することができる。
【0038】
(操舵方向の力と不感帯、直進走行安定性)
次に、車椅子1において、外力検出手段7で検出された外力を推進方向の力と操舵方向の力に分離した後、操舵方向の力が所定の範囲内にあれば操舵角を0とする直進走行性向上のための制御について説明する。なお、操舵角を0とするには、左右駆動車輪の回転数を同じにすればよく、これは操舵方向の駆動トルクを0とすることで実施される。図9に示す制御フローを説明する。パワーアシスト制御のスタートの後、操作部6に加えられた外力を外力検出手段7が検出し(S71)、この情報は制御手段8に伝達され、制御手段8において推進方向の力と操舵方向との力に分離される(S72)。検出された操舵方向外力に所要の力増幅率が乗ぜられ、操舵方向のアシスト力である操舵力が算出される(S73)。次に、この操舵力と、予め制御手段8に記憶された操舵力判定値とが比較され、操舵力の方が小さい場合(S74でYes)、操舵方向の駆動トルクが0とされる(S75)。また、ステップS74でNoの場合及びステップS75の処理の後、制御は再スタートされ、制御手段8が、所定の制御周期で、上記ステップS71〜S75を繰り返す。
【0039】
上記実施形態による直進性向上のための制御は、路面が平地であれ傾斜路であれ適応可能である。しかし、特に傾斜路において以下に示す状況のときに本実施形態による制御が有効である。すなわち、傾斜が大きくなるにつれて、車体にかかる斜面下方向に向かう重力成分(走行斜面に平行な力であり、車椅子が斜面をまっすぐ登っていないか下っていない場合に車椅子を回転させる力となる)が大きくなるため、操舵方向の振れが大きくなる。そして、傾斜が大きくなるほど、坂道を登るときに車体が蛇行してうまく坂道を登れないことになる。このような状況に対し、操舵方向の力が所定の範囲内にあれば操舵角を0とする制御を行えば安定した直進走行が可能となる。また、傾斜の大きさにより蛇行の発生状況が変わるため、車体の傾斜角度を検出し、検出した傾斜角度により、予め制御手段8に記憶された操舵力判定値を変化させて制御すればさらに良い直進走行安定性が得られる。
【0040】
(急な片流れの防止1)
次に、操舵方向の速度を看視して事前に片流れを判断し、車椅子が急旋回するのを防止して停止させることについて、図10を参照して説明する。ここで、操舵方向の速度とは、左右駆動車輪の回転速度の差である。停止制御のスタートの後、走行状態検出手段により左右駆動車輪の回転数が検出され(S201)、回転数から操舵方向の速度V0が算出される(S202)。次に、この操舵方向の速度V0と予め定められた判定速度とが比較され、操舵方向の速度V0の方が大きい場合(S203でYes)、時間カウンタTC1が0にリセットされて(S204)、時間カウントが開始される(S205)。次に、左右の駆動モータの出力が制御されて左右の駆動車輪の回転数が等しくなるように、つまり車椅子の旋回が止まるように制御される(S206)。次に、時間カウンタTC1の値が予め定められている時間上限と比較される。時間カウンタTC1の値が時間上限を越えている場合(S207でYes)、左右の駆動車輪を停止させて位置移動が0とされるか、又は、駆動モータの電流を制御して左右駆動車輪の回転速度従って走行速度が0とされる(S208)。ステップ203でNoの場合、ステップ201から制御フローが再スタートする。また、ステップS207でNoの場合、停止が必要な状態になるまで時間的余裕があると判断され、時間経過に対する変化待ちとなり、ステップS206から制御フローが繰り返され、最終的に車椅子(運搬車)は停止状態となる。
【0041】
上記のように、操舵方向の速度が大きい状態が時間上限を越えるまで継続した場合、制御手段8は、片流れが発生していると判断して片流れによる旋回を停止させるための補正を行う。その補正は、左右の駆動車輪の回転数を等しくして直進させることにより行われる。時間上限は、予め経験に基づいて決められる。この時間上限を傾斜角度により変化させると、より的確な制御が図れる。また、時間カウント値を用いるのではなく、左右の駆動車輪の回転数が等しくなる時間により、動作の時間制御をしてもよい。また、位置=0とする制御では、運搬車はその場所に静止することになり、速度=0とする制御では、運搬車はその場に停止しようとするが、傾斜がある場合、低速で下方に下がるような挙動となる。後者の制御における運搬車の挙動は、現在坂道に停留中であり操作部から手を放さないように操作者に対し注意を喚起する効果がある。
【0042】
(急な片流れの防止2)
次に、上記と同様に操舵方向の速度の看視により片流れを判断して、車椅子が急旋回するのを停止させるのに、電磁ブレーキを用いる他の例を説明する。制御手段8は、前述した図10のステップS206,S207により左右の駆動モータの回転数が等しくなるように一定時間制御した後、ステップ208において、駆動車輪に配置した電磁ブレーキにより運搬車を停止させるものである。電磁ブレーキにより駆動車輪を止めるので、制御手段が暴走したり、又はバッテリ切れにより制御が機能しなくなった場合であっても確実に運搬車を停止させることができる。この場合、電磁ブレーキは、例えば、左右の駆動モータ軸に直結したノーマリON(電源OFF時に制動)ブレーキが好適である。
【0043】
(斜面横方向の走行)
次に、車椅子が斜面を横方向に移動する場合について説明する。図11に示されるように、車椅子1の前後方向が走行方向Dとして、また、その左右方向が走行方向に対し直交する方向Tとして定義される。また、図12に示されるように、車椅子1が車体2を左右に傾けて傾斜した路面Sを走行する場合、すなわち、車椅子1が斜面を横方向に移動する場合、車体2には矢印Wの方向に重力による力が作用する。従って、車椅子1は、駆動車輪3の制御を左右同じ(例えば同じ駆動トルク出力)に行っているとき、矢印Wの方向(斜面下方、谷側、図26における矢印Tの方向)に流されることになる。そこで、傾斜角検出手段が推進方向と直交する矢印Tの方向に備えられ、傾斜角検出手段が走行方向に対して左右方向の傾斜を検知した場合、傾斜量に応じて駆動車輪3のうち谷側の車輪に予め決めておいた駆動トルク分が付加される。これにより、傾斜面を横方向に走行する場合においても、谷側への片流れを防止することができる。駆動トルクの追加量は、予め傾斜量に応じて実験的に決められ、データテーブルとして制御手段に備えられる。また、車体の傾斜量を検知するものとしては、前出の、重りと回転型ポテンショメータのような機構を使用するとよい。
【0044】
(傾斜角検出手段/ハードウエア)
次に、上記と異なり、ポテンショメータと重りを用いてハードウエア的に傾斜角検出手段を構成した実施例を、図13及び図14を参照して説明する。路面傾斜角検出装置11は、図13(a)に示されるように回転型のポテンショメータ(高精度抵抗計)11と、鉛直方向を支持する重り33及びその支持棒34と、これらを連結する連結部材35とからなる。ポテンショメータ31は車体に対して固定され、重り33は車体に対して固定された重りの回転軸(不図示)の回りに回転して鉛直下方を指示する。そして、車体の傾きに伴い、重り33が矢印a方向に振られ、支持棒34と連結部材35を介してポテンショメータの回転軸32を矢印b方向に回転されることにより、重りの回転軸と直交する方向の路面傾斜角度が検出されて、ポテンショメータ31から出力される。このように、路面傾斜角検出装置11は、路面の傾斜角度の変化を、ポテンショメータの回転軸の回転角の変化に変え、その回転角の変化をポテンショメータの抵抗値の変化として検出する。ポテンショメータ31と重り33は、図13(b)に示されるように、直結してもよい。このような傾斜角検出手段11は、筐体等に内蔵され、図14に示されるように、車椅子1の折り畳みの邪魔にならないように、車椅子本体側面に配置される。
【0045】
(横方向の傾斜の判断)
次に、駆動モータの回転数及び電流値を検出して推進方向に直交する方向における路面の傾斜状態をソフトウエア的に判断することについて説明する。駆動モータの回転数及び電流値を検出する走行状態検出手段を備えることにより、駆動モータの回転数及び電流値が検出され、検出した駆動モータの回転数から左右の駆動車輪の走行速度が算出されて比較される。左右の駆動車輪の走行速度が略同じであり、かつ、検出した左右のモータ電流値が一定時間以上異なる場合、推進方向に直交する方向に路面が傾斜していると判断される。このようにソフトウエア的に判断するだけで、特別な装置を必要とせず簡易に操作性を向上させることができる。例えば、平地を走行している場合、左右の駆動車輪の回転数はほぼ同じであり、左右の駆動車輪の電流値もほぼ等しくなる。しかし、前出の図12のように、傾斜している走路を車椅子が走行している場合、左右の駆動車輪の回転数が略同じとき、斜面下方側(谷側)の駆動車輪の電流値の方が、斜面上方側(山側)の駆動車輪の電流値より大きくなる。一般に、ある一定条件のもとにある車椅子の走行状態について(例えば、摩擦係数が一定の平面からなる傾斜した路面上を直線走行している場合)、走行路面の傾斜角度と、左右駆動車輪の駆動モータ電流値の差とは、ある一定の関係を示すことになる。そこで、傾斜角度と左右の駆動車輪の電流値の差とを予め求めておき、データテーブルとして制御手段に備えてこれを参照することにより、車椅子の左右方向の傾斜を判断することができる。
【0046】
(斜面横方向の走行)
次に、斜面上を走行する場合、操舵の安定化について説明する。傾斜角検出手段が推進方向に直交する方向の路面の傾斜を検出した場合、操舵方向について速度制御つまり目標速度となるように制御する。これにより、トルク制御と違って、傾斜角度によらず旋回の速度を制御下におくことができるので、路面の傾斜による片流れ、ふらつきを防止することができる。また、路面が傾斜していない場合は、左右の駆動モータを、操舵方向についてトルク制御とすれば、パワー効率が良くなりバッテリ寿命を延ばすことができる。
【0047】
なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、制御フローにおける各ステップの順番は、上述した順番に限るものではなく、同じ結果又はより良い結果が得られる場合は、各ステップの順番を入れ替えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るパワーアシスト付車椅子の分解斜視図。
【図2】同上車椅子の構成を説明するブロック図。
【図3】(a)は本発明の実施形態に係るパワーアシスト付台車の斜視図、(b)はその裏面から見た平面図。
【図4】本発明の実施形態に係るパワーアシスト動作のフロー図。
【図5】本発明の実施形態に係るパワーアシスト付車椅子の他の構成を説明するブロック図。
【図6】本発明の実施形態に係るパワーアシスト付車椅子のさらに他の構成を説明するブロック図。
【図7】(a)は本発明の実施形態に係る運搬車の登坂時の走行状態を説明する図、(b)は同降坂時の走行状態を説明する図。
【図8】本発明の実施形態に係る路面傾斜角推定フロー図。
【図9】本発明の実施形態に係るパワーアシスト動作のフロー図。
【図10】本発明の実施形態に係る停止制御のフロー図。
【図11】走行方向及び走行方向に直交する方向を説明する斜視図。
【図12】傾斜した路面における走行状態を説明する図。
【図13】(a)は本発明の実施形態に係る路面傾斜角検出手段の斜視図、(b)は同変形例を示す斜視図。
【図14】同上路面傾斜角検出手段の取付状態を示す斜視図。
【図15】従来のパワーアシスト付運搬車の平面図。
【図16】従来のパワーアシスト付運搬車の平面図。
【図17】従来のパワーアシスト付運搬車の平面図。
【図18】パワーアシスト付運搬車の走行状況を説明する斜視図。
【符号の説明】
1 パワーアシスト付車椅子
2 車体
3 駆動車輪
5 駆動モータ
6 操作部
7 外力検出手段
8 制御手段
9 走行状態検出手段
11 傾斜角検出手段
12 車体重量検出手段
22 パワーアシスト付台車
33 重り
6a,F,B,FB 推進方向
6b,R,L,RL 操舵方向
31 ポテンショメータ
Claims (11)
- 車体の左右に配され左右独立に駆動されて推進と操舵とに兼用される駆動車輪と、前記各駆動車輪を駆動する駆動モータを備えた駆動部と、車体に備えられた操作部と、前記操作部に配され前記操作部に加えられた外力を検出する外力検出手段と、駆動車輪の回転数及び駆動モータの電流値を検出する走行状態検出手段と、前記外力検出手段で検出された外力と前記走行状態検出手段の情報に基づいて算出したアシスト力を前記駆動車輪に発生させる制御手段とを備えたパワーアシスト付運搬車において、
運搬車が路面の影響を受けて走行方向が操作方向と異なる方向に流されていると判断するための片流れ判断値を記憶する記憶部を有し、
前記制御手段は、
前記外力検出手段で検出された操舵方向の力に応じて算出された操舵方向のアシスト力と、前記走行状態検出手段により検出した左右駆動モータの電流値から算出した操舵方向の駆動トルクとの差が前記片流れ判断値以上の状態が一定時間以上継続した場合、前記差が前記片流れ判断値以下になるまで操舵方向のアシスト力を増減制御することを特徴とするパワーアシスト付運搬車。 - 前記走行状態検出手段は、路面の傾斜角度を検出する傾斜角検出手段を備え、傾斜角検出手段により検出した傾斜角度の大きさに基づいて前記片流れ判断値の値を切り替えることを特徴とする請求項1記載のパワーアシスト付運搬車。
- 車体重量検出手段を備え、該車体重量検出手段により検出された車体重量に基づいて前記片流れ判断値の値を切り替えることを特徴とする請求項1記載のパワーアシスト付運搬車。
- 前記制御手段は、推進方向の路面傾斜角度、走行速度、モータ電流値の3つの関係情報を記憶部に備えていることを特徴とする請求項1記載又は請求項2記載のパワーアシスト付運搬車。
- 車体の左右に配され左右独立に駆動されて推進と操舵とに兼用される駆動車輪と、前記各駆動車輪を駆動する駆動モータを備えた駆動部と、車体に備えられた操作部と、前記操作部に配され前記操作部に加えられた外力を検出する外力検出手段と、駆動車輪の回転数及び駆動モータの電流値を検出する走行状態検出手段と、前記外力検出手段で検出された外力と前記走行状態検出手段の情報に基づいて算出したアシスト力を前記駆動車輪に発生させる制御手段とを備えたパワーアシスト付運搬車において、
前記制御手段は、外力検出手段で検出された外力を推進方向の力と操舵方向の力に分離し、前記操舵方向の力が所定の範囲内にあれば操舵角を0とする制御を行うことを特徴とするパワーアシスト付運搬車。 - 車体の左右に配され左右独立に駆動されて推進と操舵とに兼用される駆動車輪と、前記各駆動車輪を駆動する駆動モータを備えた駆動部と、車体に備えられた操作部と、前記操作部に配され前記操作部に加えられた外力を検出する外力検出手段と、駆動車輪の回転数及び駆動モータの電流値を検出する走行状態検出手段と、前記外力検出手段で検出された外力と前記走行状態検出手段の情報に基づいて算出したアシスト力を前記駆動車輪に発生させる制御手段とを備えたパワーアシスト付運搬車において、
前記制御手段は、走行状態検出手段の出力から算出した左右駆動車輪の回転速度の差が所定の値以上である場合、左右の駆動モータの回転数が等しくなるように一定時間制御し、その後、位置移動又は走行速度が0になるように制御して停止させることを特徴とするパワーアシスト付運搬車。 - 車体の左右に配され左右独立に駆動されて推進と操舵とに兼用される駆動車輪と、前記各駆動車輪を駆動する駆動モータを備えた駆動部と、車体に備えられた操作部と、前記操作部に配され前記操作部に加えられた外力を検出する外力検出手段と、駆動車輪の回転数及び駆動モータの電流値を検出する走行状態検出手段と、前記外力検出手段で検出された外力と前記走行状態検出手段の情報に基づいて算出したアシスト力を前記駆動車輪に発生させる制御手段とを備えたパワーアシスト付運搬車において、
前記制御手段は、走行状態検出手段の出力から算出した左右駆動車輪の回転速度の差が所定の値以上である場合、左右の駆動モータの回転数が等しくなるように一定時間制御し、その後、駆動車輪に配置した電磁ブレーキにより停止させることを特徴とするパワーアシスト付運搬車。 - 車体の左右に配され左右独立に駆動されて推進と操舵とに兼用される駆動車輪と、前記各駆動車輪を駆動する駆動モータを備えた駆動部と、車体に備えられた操作部と、前記操作部に配され前記操作部に加えられた外力を検出する外力検出手段と、駆動車輪の回転数及び駆動モータの電流値を検出する走行状態検出手段と、前記外力検出手段で検出された外力と前記走行状態検出手段の情報に基づいて算出してアシスト力を前記駆動車輪に発生させる制御手段とを備えたパワーアシスト付運搬車において、
前記走行状態検出手段は、走行方向と直角方向の路面の傾斜角度を検出する傾斜角検出手段を備えることを特徴とするパワーアシスト付運搬車。 - 前記傾斜角検出手段は、ポテンショメータと、このポテンショメータの回転軸に連結され鉛直下方を指示する重りとから構成されていることを特徴とする講求項2又は請求項8記載のパワーアシスト付運搬車。
- 前記傾斜角検出手段は、前記走行状態検出手段の出力から算出した左右駆動車輪の回転速度の差が略0にもかかわらず前記走行状態検出手段により検出した左右の駆動モータの電流値が一定時間以上異なる場合、推進方向に対して直交する方向に路面が傾斜していると判断することを特徴とする請求項8記載のパワーアシスト付運搬車。
- 推進方向に対して直交する方向に路面が傾斜していることが前記傾斜角検出手段により検知された場合、前記制御手段は、前記操作部に加えられた操舵方向の力検出値に基づき、速度制御によるアシスト力を駆動車輪に発生させることを特徴とする請求項8記載のパワーアシスト付運搬車。
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