JP2006240361A - 操作力アシストシステム及び電気掃除機 - Google Patents

Abstract

【課題】 移動体を移動させるために必要な労力の軽減を、操作性の向上を図りながら実現すること。
【解決手段】 電気掃除機１の掃除機本体２には、モータにより駆動される車輪３と、手押しハンドル４とが設けられる。手押しハンドル４部分には、掃除機本体２を移動させる際に当該手押しハンドル４に加わる操作力の方向及び大きさを検出する操作力センサが設けられる。掃除機本体２内に設けられたモータ制御回路は、操作力センサにより検出された操作力の方向へ車輪３を回転させるようにモータの回転方向を制御すると共に、操作力センサにより検出された操作力が大きい場合ほどモータ電流が増大するように制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、操作者の操作力に応じた大きさのアシスト力を発生させる操作力アシストシステム及びこのシステムを利用した電気掃除機に関する。

例えば、車輪を備えた掃除機本体に吸い込み口及び電動吸引機構を設けると共に、当該掃除機本体を床面上で移動させるための手押しハンドルを取り付けた形式の電気掃除機においては、その運転時において、比較的大きい重量の掃除機本体に対し、吸い込み口を通じた空気吸引力に伴う荷重も加わることになるため、手押しハンドルを通じた操作に大きな労力が必要になるという問題がある。これに対して、従来では、例えば特許文献１に見られるように、手押しハンドルを備えた掃除機本体に、車輪を正逆回転させるためのモータと、車輪の回転速度を検知する回転速度検知部と、この検知部からの出力信号に応じてモータを駆動制御して車輪の回転速度を設定速度に維持する定速走行手段とを設けた電気掃除機が提供されており、この電気掃除機では、手押しハンドルを通じた操作力の軽減を期待できることになる。
特開平７−３１９号公報

上記従来の電気掃除機では、車輪の回転速度が一定になるようにフィードバック制御するだけの構成、つまり掃除機本体の手押しハンドルを通じた操作力とは無関係に一定速度で移動する構成に過ぎないため、手押しハンドルを通じた操作力と掃除機本体の実際の移動状態との間に違和感が生じることが避けられず、その操作性に劣るという問題点があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、移動体を移動させるために必要な労力の軽減を、操作性の向上を図りながら実現できる操作力アシストシステム及び電気掃除機を提供することにある。

請求項１記載の操作力アシストシステムは、車輪に駆動力を与えるためのモータと手押しハンドルとを備えた移動体において、前記手押しハンドルにより前記移動体を移動させる際に当該手押しハンドルに加わる操作力の方向及び大きさを検出する操作力検出手段と、この操作力検出手段により検出された操作力の方向へ前記車輪を回転させるように前記モータの回転方向を制御すると共に、当該操作力検出手段により検出された操作力が大きい場合ほど前記モータ電流が増大するように制御する制御手段とを備えた構成としたものである。

請求項２記載の操作力アシストシステムは、前記制御手段を、前記操作力検出手段による検出操作力に対する前記モータ電流の比率を、前記移動体の走行速度または前記モータの回転速度が大きい場合ほど低くなるように制御する構成としたものである。

請求項３記載の操作力アシストシステムは、前記操作力検出手段を、前記手押しハンドルの押し方向及び引き方向への直線的な往復移動を案内するガイドレールを備えた基台と、前記手押しハンドルに互いの間に所定間隔を存した状態で固定された一対のばね受け部材と、前記基台上に前記一対のばね受け部材間に位置するように固定された補助ばね受け部材と、この補助ばね受け部材と前記一対のばね受け部材との各間にそれぞれ配置され、当該一対のばね受け部材に対して前記押し方向及び引き方向のばね力を作用させることより前記手押しハンドルをホームポジション位置へ付勢する一対のばね部材と、前記手押しハンドルの位置に応じて出力変化するポテンショメータとを備えた構成としたものである。

請求項４記載の操作力アシストシステムは、前記補助ばね受け部材の両側に配置された一対のストッパと、これらストッパ間に配置され、当該ストッパと前記補助ばね受け部材との各間に余裕寸法を形成するためのスペーサとを備えた上で、前記一対のばね部材を、前記一対ずつのばね受け部及びストッパの各間に配置する構成としたものである。

請求項５記載の電気掃除機は、車輪及びこの車輪を駆動するためのモータ並びに手押しハンドルを備えた掃除機本体に対して、請求項１ないし４の何れかに記載の操作力アシストシステムを搭載する構成としたものである。

請求項１記載の操作力アシストシステムによれば、手押しハンドルにより移動体を移動させた場合は、その手押しハンドルに加わる操作力の方向及び大きさが、操作力検出手段により検出される。この場合、制御手段にあっては、移動体に設けられた車輪の回転方向が、操作力検出手段により検出された操作力の方向となるように当該車輪駆動用のモータの回転方向を制御する構成となっているから、手押しハンドルによる操作力が、モータの出力トルクによりアシストされることになり、その操作に必要な労力を軽減できるようになる。また、このようなパワーアシスト時において、制御手段は、操作力検出手段により検出された操作力が大きい場合ほどモータ電流（モータの出力トルク、つまり手押しハンドルの操作に対するアシスト力）が増大するように制御する構成となっているから、手押しハンドルの操作力を一定に制御することが可能になり、その操作性の向上も実現できることになる。

請求項５記載の電気掃除機においても、手押しハンドルによる操作力が、モータの出力トルクによりアシストされるから、その操作に必要な労力を軽減できるようになり、また、手押しハンドルの操作力を一定に制御することが可能になるから、その操作性の向上も実現できるようになる。

（第１の実施の形態）
以下、本発明を電気掃除機に適用した第１実施例について図１〜図７を参照しながら説明する。
図１には、電気掃除機１（移動体に相当）の全体構成が概略的に示されている。この図１において、掃除機本体２は、吸込口、補助車輪、回転ブラシ及びその駆動機構など（何れも図示せず）を備えたヘッド部２ａと、電動送風機及び集塵室など（何れも図示せず）を備えた本体部２ｂとを連結した構造となっている。ヘッド部２ａには、左右一対の走行用車輪３が取り付けられており、本体部２ｂには、掃除機本体２を床面上で移動させるための手押しハンドル４が取り付けられている。

図２に模式的に示すように、ヘッド部２ａ内には、車輪３に対してギア機構５を介して駆動力を与えるためのモータ６が収納されている。尚、モータ６は、例えばブラシ付き直流モータである。また、この図２では、説明を簡単にするために、モータ６よりギア機構５を介して正逆回転されるシャフト３ａの両端に車輪３を直結した例を説明したが、左右の車輪３を互いに独立して回転可能な形態で取り付けると共に、モータ６の回転力を各車輪３に対してスリップ機構付きの動力伝達機構により個別に伝達する構成とすることが望ましい。

手押しハンドル４の先端部分をスケルトン状態で示す図３のように、当該手押しハンドル４には、これに加わる操作力の方向及び大きさを検出するための操作力センサ７（操作力検出手段に相当）が設けられている。この図３において、手押しハンドル４は、本体部２ｂに連結された棒状連結部４ａ（基台に相当）の先端に、操作力センサ７を介して把手部４ｂを取り付けた構造となっている。

具体的には、操作力センサ７は以下のような構成となっている。
即ち、連結部４ａ側には、前後方向（手押しハンドル４の押し方向Ａ及び引き方向Ｂ）へ互いに離間した状態で配置された一対のシャフト支え８ａ、８ｂが固定されていると共に、それらシャフト支え８ａ及び８ｂ間の中央位置にばね受け部９（補助ばね受け部材に相当）が固定されている。また、シャフト支え８ａ、８ｂ間には、ばね受け部９を貫通した状態のシャフト１０（ガイドレールに相当）が、連結部４ａから浮いた状態で支持されている。

シャフト１０には、これが貫通された形態の一対のスライダ１１ａ及び１１ｂ（ばね受け部材に相当）が、互いの間に所定間隔を存した状態にて摺動可能に取り付けられている。この場合、各スライダ１１ａ及び１１ｂは、把手部４ｂと一体的に設けられたスライダ固定板１１ｃに固定されており、その固定状態で、一方のスライダ１１ａはシャフト支え８ａ及びばね受け部９間に位置し、他方のスライダ１１ｂはシャフト支え８ｂ及びばね受け部９間に位置する形態となっている。つまり、手押しハンドル４の押し方向Ａ及び引き方向Ｂへの直線的な往復移動がシャフト１０によって案内される構成となっている。

また、シャフト１０の周りにおけるスライダ１１ａ及び１１ｂとばね受け部９との各間には、一対のコイルばね１３ａ及び１３ｂ（ばね部材に相当）が与圧状態にて巻装されている。これによりスライダ１１ａ及び１１ｂに対して、手押しハンドル４の押し方向Ａ及び引き方向Ｂのばね力が作用するものであり、これに応じて、当該手押しハンドル４が、押し方向Ａ及び引き方向Ｂへ移動可能なホームポジション位置に付勢される構成となっている。

さらに、連結部４ａ側には、操作子１２ａが把手部４ｂの操作方向へ変位可能な配置とされたリニアタイプのポテンショメータ１２が取り付けられており、その操作子１２ａが前記スライダ１１ａに係合されて当該スライダ１１ａと一体的に移動するように構成されている。つまり、ポテンショメータ１２の出力は、手押しハンドル４の操作位置に応じて変化することになる。

上記のように構成された操作力センサ７にあっては、手押しハンドル４の把手部４ｂに押し方向Ａの操作力が加わったときには、図４（ａ）に示すように、一方のコイルばね１３ａが伸張されると共に他方のコイルばね１３ｂが圧縮される。また、把手部４ｂに引き方向Ｂの操作力が加わったときには、図４（ｂ）に示すように、一方のコイルばね１３ａが圧縮されると共に他方のコイルばね１３ｂが伸張されるものである。従って、スライダ１１ａ及び１１ｂは、限度位置へ変位されるまでの期間は、その操作力の大きさに比例した量だけ変位することになり、その変位方向及び変位量がポテンショメータ１２を通じて出力されることになる。

この場合、図示しないが、ポテンショメータ１２には、その出力に比例した検出電圧を発生する変換器が接続されるものであり、この変換器から出力される検出電圧は、手押しハンドル４が前記ホームポジション位置にあるときに零レベルとなり、且つ手押しハンドル４が押し方向Ａへ操作されたときに負レベル、引き方向Ｂへ操作されたときに正レベルとなるように設定されている。従って、操作力センサ７からは、図５に示すように、手押しハンドル４に作用する操作力の方向に報じて極性が反転し、且つその操作力に比例した電圧レベルの検出電圧が出力されることになる。

図示しないが、例えば本体部２ｂ内には、モータ６の動作を制御するためのモータ制御回路（制御手段に相当）が設けられており、このモータ制御回路は、操作力センサ７により検出された操作力の方向へ車輪３を回転させるようにモータ６の回転方向を制御すると共に、当該操作力センサ７により検出された操作力が大きい場合ほどモータ電流が増大するように制御する構成となっている。この場合、図１に示すように、手押しハンドル４に加わる操作力をＦ１、モータ６による車輪３の駆動力をＦ３とした場合、Ｆ３／Ｆ１で示される比率をアシスト比Ｇａと規定できものであり、従って、このアシスト比Ｇａの値に応じてモータ６によるパワーアシスト量が変化することになる。

ここで、図１に示すように、掃除機本体２の重量をＭ、掃除機本体２での摩擦などによる抗力をＦ２とし、また、掃除機本体２に係る制動係数をＣ、掃除機本体２と床面との間の摩擦係数をＫ、掃除機本体２の移動距離をｘとした場合、その運動方程式は次式（１）のようになる。尚、Ｃ・ｄｘ／ｄｔ＋Ｋ・ｘ＝Ｆ２である。

Ｍ・ｄ²ｘ／ｄｔ²＋Ｃ・ｄｘ／ｄｔ＋Ｋ・ｘ＝Ｆ１＋Ｆ３ ……（１）
この運動方程式をラプラス変換して展開すると、図６に示すようなフィードバック系ブロック線図として表現できる。即ち、この図６によれば、ブロックｂ１において、Ｆ３＝Ｇａ・Ｆ１の演算が行われ、加え合わせ点ａ１において、
Ｆ１＋Ｇａ・Ｆ１＝Ｆ１＋Ｆ３
が得られる。

また、ブロックｂ２、ｂ３において、Ｋ・ｘ、Ｃ・ｄｘ／ｄｔの各演算が行われ、加え合わせ点ａ２において、
Ｃ・ｄｘ／ｄｔ＋Ｋ・ｘ＝Ｆ２
が得られ、加え合わせ点ａ３において、
（Ｆ１＋Ｆ３）−Ｆ２
が得られることになる。

さらに、加え合わせ点ａ３で得られた「（Ｆ１＋Ｆ３）−Ｆ２」に対して、ブロックｂ４において「１／Ｍ」が乗算され、ｄ²ｘ／ｄｔ²（加速度）が出力されることが分かる。つまり、このことは、前記式（１）を次式（２）のように変形すると容易に理解できる。
ｄ²ｘ／ｄｔ²＝｛Ｆ１＋Ｆ３−（Ｃ・ｄｘ／ｄｔ＋Ｋ・ｘ）｝／Ｍ
＝（Ｆ１＋Ｆ３−Ｆ２）／Ｍ ……（２）

また、このように出力されるｄ²ｘ／ｄｔ²がブロックｂ５において積分されてｄｘ／ｄｔ（走行速度）が出力され、このｄｘ／ｄｔがブロックｂ６において積分されて移動距離ｘが出力されることが分かる。

ここで、モータ電流の制御に係るアシスト比Ｇａには、掃除機本体２の速度フィードバック値が反映されるものであり、図７は、上記図３のブロック線図におけるアシスト比Ｇａについてのブロックｂ１を、速度フィードバック制御部分を含めて詳細にモデル化して示すものである。ここで、モータ６に関するパラメータは、Ｋｔ：トルク定数（Ｎ・ｍ／Ａ）、Ｋｅ：逆起電圧定数（Ｖ・ｓ／rad）、Ｒ：コイル抵抗、Ｌｓ：コイルインダクタンスである。また、駆動系を回転系から直線運動系に変換する比例定数として、Ｋtf（Ｎ／（Ｎ・ｍ））：モータ出力トルク→車輪駆動力、Ｋvw（rad／ｍ）：掃除機本体２の速度→車輪３の回転速度→モータ回転数を用いる。

図７のブロック線図によれば、ブロックｂ７には、手押しハンドル４の操作量と操作力センサ７から出力される検出電圧との比を示す比例定数Ｋｓ（Ｖ／Ｎ）が設定されており、ここで手押しハンドル４の操作力Ｆ１がＫｓ倍される。ブロックｂ８には、モータ電流ｉの検出比率を示す比例定数Ｇｉ（Ｖ／Ａ）が設定されており、ここでモータ電流ｉがＧｉ倍される。

加え合わせ点ａ４では、電圧信号であるＫｓ・Ｆ１及びＧｉ・ｉの比較（Ｋｓ・Ｆ１−Ｇｉ・ｉの演算）が行われ、その比較結果に応じたモータ駆動電圧ｖが決定される。ブロックｂ９には、モータ６のための駆動回路の回路ゲインＧｅが設定されており、ここでモータ駆動電圧ｖがＧｅ倍され、モータ６に対する印加電圧Ｖｅが得られる。

ブロックｂ１０では、Ｋvw・ｄｘ／ｄｔの演算が行われ、その演算結果がモータ６の角速度ω（rad／ｓ）として出力される。また、ブロックｂ１１では、Ｋｅ・ωの演算が行われ、その演算結果がモータ６での逆起電圧Ｅａとして出力される。さらに、加え合わせ点ａ５においてＶｅ−Ｅａが得られ、ブロックｂ１２では、（Ｖｅ−Ｅａ）／（Ｌｓ＋Ｒ）の演算が行われてモータ電流ｉが算出される。

ブロックｂ１３では、Ｋｔ・ｉの演算が行われ、その演算結果がモータ６の出力トルクτ（Ｎ・ｍ）として出力される。また、ブロックｂ１４では、Ｋtf・τの演算が行われ、その演算結果がモータ６による車輪３の駆動力Ｆ３として出力される。

要するに、モータ制御回路は、手押しハンドル４に加わる操作力Ｆ１が大きい場合（操作力センサ７による検出電圧が大きい場合）ほどモータ電流ｉが大きくなるように制御するものである。この結果、例えば、操作力センサ７において相対的に大きな操作力Ｆ１が検出された場合には、モータ６の出力トルクが大きくなって、手押しハンドル４による操作力が、モータ６の出力トルクによりアシストされることになり、その操作に必要な労力を軽減できるようになる。また、操作力Ｆ１が相対的に小さくなったときには、モータ電流が低減するように制御されるものであり、結果的に、手押しハンドル４の操作力を一定に制御できるようになって、その操作性の向上も実現できることになる。

また、モータ電流ｉの大きさは、掃除機本体２の走行速度ひいてはモータ６の回転速度が大きい場合ほど低くなるように制御される構成となっているから、掃除機本体の走行速度が早くなり過ぎたときには、モータ電流ｉが低減されて手押しハンドル４に加わる操作力Ｆ１が相対的に大きくなるものであり、これにより掃除機本体２の走行速度が無闇に速くなる事態を効果的に防止できるようになって、良好な操作感覚が得られるようになる。

尚、上記実施例では、図７に示した比例定数Ｋｓ及びＧｉを一定の値として例で説明したが、それら比例定数Ｋｓ及びＧｉの少なくとも一方を、モータ６の回転数に応じて変化させる制御、例えば、比例定数Ｋｓについては、モータ６の回転数が高い場合ほど小さくし、比例定数Ｇｉについては、モータ６の回転数が高い場合ほど小さくする制御を行う構成としても良い。

このような構成によっても、モータ６によるパワーアシスト機能が働いたときには、モータ６の回転数が高い状態時（掃除機本体２の走行速度が速い状態時）ほどモータ６に対する印加電圧Ｖｅが低減されてモータ電流ｉが小さくなるものであり、これにより掃除機本体２の走行速度が変化した場合でも、良好な操作感覚が得られることになる。

（第２の実施の形態）
図８ないし図１２には本発明の第２実施例が示されており、以下これについて前記第１実施例と異なる部分のみ説明する。
第１実施例のように構成された操作力センサ７にあっては、その構造上、スライダ１１ａ及び１１ｂなどでの摩擦の影響や、コイルばね１３ａ及び１３ｂの撓みなどの影響により、その検出電圧の出力特性に図８に示すようなヒステリシスＨが出る可能性が高くなる。このようなヒステリシスＨが存在すると、特に手押しハンドル４に係る小さな操作力の検出に異常を来たし、良好なパワーアシスト制御が困難になるという問題点が出てくる。

本実施例は、操作力センサ７の構造を改善することによって、上記のような問題点の解消を図ったことに特徴を有するものである。
具体的には、手押しハンドル４の先端部分を一部断面にしたスケルトン状態で示す図９、及び図９中の要部についての平面構造を示す図１０のように、シャフト１０が貫通された状態の２枚のストッパ１４ａ、１４ｂをばね受け部９の両側に配置し、一方のストッパ１４ａとスライダ１１ａとの間にコイルばね１３ａを配置すると共に、他方のストッパ１４ｂとスライダ１１ｂとの間にコイルばね１３ｂを配置している。また、ストッパ１４ａ及び１４ｂ間に、それらストッパ１４ａ及び１４ｂとばね受け部９との各間に所定の余裕寸法を確保するためのスペーサ１５を配置した構成とする。

このように構成された操作力センサ７′においては、図１１に示すように、手押しハンドル４がホームポジションにある状態（ｃ）から、押し方向Ａへ移動された場合には、ストッパ１４ｂがばね受け部９に当接した状態（ｂ）になるまでの間はコイルばね１３ａ及び１３ｂが変形せずに、ポテンショメータ１２の出力が変化し、この当接状態から押し方向Ａへさらに移動された状態（ａ）においては、コイルばね１３ｂが変形するようになる。また、手押しハンドル４がホームポジションにある状態（ｃ）から、引き方向Ｂへ移動された場合には、ストッパ１４ａがばね受け部９に当接した状態（ｄ）になるまでの間はコイルばね１３ａ及び１３ｂが変形せずに、ポテンショメータ１２の出力が変化し、この当接状態から引き方向Ｂへさらに移動された状態（ｅ）においては、コイルばね１３ａが変形するようになる。

従って、操作力センサ７′から出力される検出電圧の特性は、図１２に示すような非線形の信号となるものであり、これにより、コイルばね１３ａ及び１３ｂの撓みの影響などによるヒステリシスが改善され、小さな操作力に対するパワーアシスト制御も良好に行い得るようになる。

（その他の実施の形態）
本発明は上記し且つ図面に示した実施例に限定されるものではなく、例えば以下に述べるような変形或いは拡大が可能である。
本発明による操作力アシストシステムは、車体に介助用の手押しハンドルを備えると共に、車輪に対して推進力を与えるモータを搭載した介助型の電動車椅子のような移動体や、ゴルフ場用の手押しハンドル付き電動カートのような移動体にも適用できる。

本発明の第１実施例を説明するための電気掃除機の概略図 電気掃除機のヘッド部の構造を模式的に示す図 操作力センサをスケルトン状態で示す図 操作力センサの動作説明図 操作力センサの出力特性図 制御機能説明用のブロック線図その１ 制御機能説明用のブロック線図その２ 本発明の第２実施例を説明するための図５相当図 図３相当図 図９中の要部を示す図 操作力センサの動作説明図 図５相当図

符号の説明

１は電気掃除機（移動体）、２は掃除機本体、２ａはヘッド部、２ｂは本体部、３は車輪、４は手押しハンドル、４ａは連結部（基台）、４ｂは把手部、６はモータ、７、７′は操作力センサ（操作力検出手段）、８ａ、８ｂはシャフト支え、９はばね受け部（補助ばね受け部材）、１０はシャフト（ガイドレール）、１１ａ、１１ｂはスライダ（ばね受け部材）、１２はポテンショメータ、１３ａ、１３ｂはコイルばね（ばね部材）、１４ａ、１４ｂはストッパ、１５はスペーサを示す。

Claims (5)

1. 車輪に駆動力を与えるためのモータと手押しハンドルとを備えた移動体において、
   前記手押しハンドルにより前記移動体を移動させる際に当該手押しハンドルに加わる操作力の方向及び大きさを検出する操作力検出手段と、
   この操作力検出手段により検出された操作力の方向へ前記車輪を回転させるように前記モータの回転方向を制御すると共に、当該操作力検出手段により検出された操作力が大きい場合ほど前記モータ電流が増大するように制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする操作力アシストシステム。
2. 前記制御手段は、前記操作力検出手段による検出操作力に対する前記モータ電流の比率を、前記移動体の走行速度または前記モータの回転速度が大きい場合ほど低くなるように制御することを特徴とする請求項１記載の操作力アシストシステム。
3. 前記操作力検出手段は、
   前記手押しハンドルの押し方向及び引き方向への直線的な往復移動を案内するガイドレールを備えた基台と、
   前記手押しハンドルに互いの間に所定間隔を存した状態で固定された一対のばね受け部材と、
   前記基台上に前記一対のばね受け部材間に位置するように固定された補助ばね受け部材と、
   この補助ばね受け部材と前記一対のばね受け部材との各間にそれぞれ配置され、当該一対のばね受け部材に対して前記押し方向及び引き方向のばね力を作用させることより前記手押しハンドルをホームポジション位置へ付勢する一対のばね部材と、
   前記手押しハンドルの位置に応じて出力変化するポテンショメータと、
   を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の操作力アシストシステム。
4. 請求項３記載の操作力アシストシステムにおいて、
   前記補助ばね受け部材の両側に配置された一対のストッパと、
   これらストッパ間に配置され、当該ストッパと前記補助ばね受け部材との各間に余裕寸法を形成するためのスペーサと、
   を備え、
   前記一対のばね部材を、前記一対ずつのばね受け部及びストッパの各間に配置したことを特徴とする操作力アシストシステム。
5. 車輪及びこの車輪を駆動するためのモータ並びに手押しハンドルを備えた掃除機本体に対して、請求項１ないし４の何れかに記載の操作力アシストシステムを搭載したことを特徴とする電気掃除機。
   

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