JP2015112329A - パワーアシスト装置、歩行支援機及びパワーアシスト方法 - Google Patents

Abstract

【課題】路面の状況に応じて適切な力で歩行支援を行うことができるパワーアシスト装置、歩行支援機及びパワーアシスト方法を提供する。
【解決手段】歩行支援機の重力方向に対する傾きの角度を検出する傾斜センサ２４ａ，２４ｂと、傾きによって歩行支援機に加わる重力による力とつりあう力を発生する歩行支援機の車輪の回転トルクを演算する演算部２５２ａ，２５２ｂと、車輪と連動したモータ２２ａ，２２ｂに回転トルクを発生させるモータドライバ２３ａ，２３ｂとを設けた。
【選択図】図２

Description

この発明は、高齢者などの歩行を支援する歩行支援機並びにその歩行支援機のパワーアシスト装置及びパワーアシスト方法に関するものである。

従来より、高齢者などの歩行を支援する機器として、歩行車やシルバーカーなどの歩行支援機が用いられている。また、電力によって車輪を制動するパワーアシスト機能を有する歩行車も知られている（例えば、特許文献１、特許文献２及び特許文献３参照）。

特許文献１及び特許文献２には、走行速度が増加すると自動的に制動力が発生する制動機能を有する歩行車が開示されている。また、特許文献３には、モータで駆動する車輪を有し、走行制御操作具で走行速度等を制御する動力付歩行車が開示されている。

特開２００１−２５８１０１号公報 特開平１１−２９０４０５号公報 実開平７−１１８０６号公報

特許文献１及び特許文献２の歩行車は、車輪に後退方向の制動力を付加するものであるが、進行方向の推進力を付加するものではなく、上り坂などで利用者の負担を軽減することができないという課題があった。一方、特許文献３の動力付歩行車は、歩行車の走行速度等を利用者自身が操作するものであり、車輪に過剰な推進力が付加される可能性があるという課題があった。
すなわち、周囲の状況に応じて適切な力で歩行支援を行うことができないという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、路面の状況に応じて適切な力で歩行支援を行うことができるパワーアシスト装置、歩行支援機及びパワーアシスト方法を提供することを目的とする。

この発明のパワーアシスト装置は、歩行支援機の重力方向に対する傾きの角度を検出する傾き検出手段と、傾きによって歩行支援機に加わる重力による力とつりあう力を発生する歩行支援機の車輪の回転トルクを演算するトルク演算手段と、車輪と連動したモータに回転トルクを発生させるモータ制御手段と、を具備するものである。

この発明のパワーアシスト装置、歩行支援機及びパワーアシスト方法によれば、路面の状況に応じて適切な力で歩行支援を行うことができる。

この発明の実施の形態１の歩行車及びパワーアシスト装置の斜視図である。 この発明の実施の形態１のパワーアシスト装置の構成図でる。 この発明の実施の形態１のパワーアシスト装置の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１の歩行車の傾きを示す説明図である。 この発明の実施の形態２のパワーアシスト装置の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２の歩行車の傾きを示す説明図である。

実施の形態１．
図１及び図２を参照して、実施の形態１の歩行車及びパワーアシスト装置について説明する。
図中、１１ａは断面が円形状又は楕円形状のパイプ等を主材として構成されたフレームである。フレーム１１ａの下端部に走行用の前輪（車輪）１２ａ及び後輪（車輪）１３ａが取り付けられており、上端部に利用者用のハンドル１４ａが取り付けられている。同様に、フレーム１１ａと対向したフレーム１１ｂの下端部に前輪１２ｂ及び後輪１３ｂが取り付けられており、上端部にハンドル１４ｂが取り付けられている。また、フレーム１１ａ及びフレーム１１ｂの中央部に支持されるように台座１５が設けられている。フレーム１１ａ，１１ｂ、前輪１２ａ，１２ｂ、後輪１３ａ，１３ｂ、ハンドル１４ａ，１４ｂ及び台座１５によって歩行車（歩行支援機）１が構成されている。

フレーム１１ａの下端部の後輪１３ａに、モータ２２ａと図示しない基板とが設けられている。基板上に、モータ２２ａを駆動するモータドライバ（モータ制御手段）２３ａと、歩行車１の重力方向に対する傾きの角度を検出する傾斜センサ（傾き検出手段）２４ａと、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を実装した半導体集積回路又はワンチップマイコンで構成された制御部２５ａとが設けられている。モータ２２ａ、モータドライバ２３ａ、傾斜センサ２４ａ及び制御部２５ａによってパワーアシスト装置２ａが構成されている。
なお、制御部２５ａは、同様の機能を有するものであれば他の手段で構成しても良い。

制御部２５ａは、傾斜センサ２４ａの検出結果を取得するセンサ値取込部２５１ａと、後輪１３ａに伝達する回転トルクを演算する演算部（演算手段）２５２ａと、モータドライバ２３ａへのトルク値の指令信号を出力するドライバ指令部２５３ａとを有している。

ここで、モータ２２ａは、後輪１３ａに回転トルクを伝達するように設けられている。

フレーム１１ｂの下端部の後輪１３ｂに、パワーアシスト装置２ａと同様の構成を有するパワーアシスト装置２ｂが取り付けられている。モータ２２ｂは、後輪１３ｂに回転トルクを伝達するように設けられている。

なお、後輪１３ａ，１３ｂに代えて前輪１２ａ，１２ｂにパワーアシスト装置２ａ，２ｂを取り付けたものとしても良い。また、前輪１２ａ，１２ｂ及び後輪１３ａ，１３ｂの両方にパワーアシスト装置２ａ，２ｂをそれぞれ取り付けたものとしても良い。以下、パワーアシスト装置２ａ，２ｂを取り付けて、モータ２２ａ，２２ｂにより駆動される車輪を「駆動車輪」と記載する。

図３及び図４を参照して、このように構成されたパワーアシスト装置２ａ，２ｂの動作について説明する。
図３に示す如く、傾斜センサ２４ａ，２４ｂは、重力方向に対する歩行車１の前後方向の傾きの角度θ₁を検出する（ステップＳＴ１）。次いで、演算部２５２ａ，２５２ｂは、以下の式（１）を用いて駆動車輪に伝達する回転トルクＴを算出する（ステップＳＴ２）。

式（１）において、Ｍ［ｋｇ］は歩行車１の質量の値、ｇ［ｍ／ｓ²］は重力加速度の値、Ｆ₁［Ｎ］は傾き及び自重によって重力が歩行車１に加える力の値、Ｒ［ｍ］は駆動車輪の半径の値を示している。このうち、質量Ｍ、（重力加速度ｇ）及び半径Ｒの値は歩行車１の機械的構造が決まれば一意に決まる所与の固定値であることから、式（１）に示す如く、回転トルクＴは傾きの角度θ₁のみを変数とする関数ｆ₁（θ₁）として演算される。

ドライバ指令部２５３ａ，２５３ｂは、対応するモータドライバ２３ａ，２３ｂに対して、モータ２２ａ，２２ｂにそれぞれ同じ回転トルクを発生させるように指令信号を出力する（ステップＳＴ３）。

モータドライバ２３ａ，２３ｂの制御の下でモータ２２ａ，２２ｂが発生した回転トルクは、左右の駆動車輪にそれぞれ伝達される。

パワーアシスト装置２ａ，２ｂは、図示しない電源を入れるか又はパワーアシスト機能をＯＮにすることを要求された場合に、歩行車１の走行中、利用者の操作にかかわらずステップＳＴ１〜ステップＳＴ３を一定周期で自動的に繰り返す。

ここで、図４に示す如く、歩行車１が上り坂を走行している場合、式（１）を用いて演算した回転トルクＴを駆動車輪に伝達することで、上り坂の傾斜の角度θ₁及び歩行車１の重量Ｍｇによって歩行車１に加わる歩行車１の後退方向の力Ｆ₁と、回転トルクＴによって駆動車輪に付加された歩行車１の進行方向の推進力との大きさが等しくなり、つりあう。

また、歩行車１が下り坂を走行している場合、同様に式（１）を用いて演算した回転トルクＴを駆動車輪に伝達することで、下り坂の傾斜の角度θ₁及び歩行車１の重量Ｍｇによって歩行車１に加わる歩行車１の進行方向の力Ｆ₁と、回転トルクＴによって駆動車輪に付加された歩行車１の後退方向の制動力との大きさが等しくなり、つりあう。

このように、モータ２２ａ，２２ｂによって発生する力と重力による力がつりあっている状態で利用者が歩行車１に力Ｐを加えると、力Ｐがそのまま歩行車１の運動に使われる。つまり、坂道で歩行車１の重さがゼロになったように利用者は歩行車１を操作することができることになる。

また、歩行車１が路面上の段差を乗り越える場合、同様に式（１）を用いて演算した回転トルクＴを駆動車輪に伝達することで、前輪１２ａ，１２ｂが段差に乗り上げる際の歩行車１の傾きの角度θ₁及び歩行車１の重量Ｍｇによって歩行車１に加わる後退方向の力Ｆ₁と、回転トルクＴによって駆動車輪に付加された歩行車１の進行方向の推進力との大きさが等しくなり、つりあうので、坂道と同様の効果を得ることができる。

また、歩行車１が路面上の隙間を乗り越える場合、同様に式（１）を用いて演算した回転トルクＴを駆動車輪に伝達することで、前輪１２ａ，１２ｂが隙間にはまり込む際の歩行車１の傾きの角度θ₁及び歩行車１の重量Ｍｇによって歩行車１に加わる歩行車１の進行方向の力Ｆ₁と、回転トルクＴによって駆動車輪に付加された歩行車１の後退方向の制動力との大きさが等しくなり、つりあう。
同様に、前輪１２ａ，１２ｂが隙間から脱する際の歩行車１の傾きの角度θ₁及び歩行車１の重量Ｍｇによって歩行車１に加わる歩行車１の後退方向の力Ｆ₁と、回転トルクＴによって駆動車輪に付加された歩行車１の進行方向の推進力との大きさが等しくなり、つりあうので、坂道と同様の効果を得ることができる。

以上のように、この実施の形態１のパワーアシスト装置２ａ，２ｂは、上り坂、下り坂、段差、隙間などの路面の状況に応じて、利用者の操作にかかわらず、歩行車１の傾きの角度θ₁及び歩行車１の重量Ｍｇによって重力が歩行車１に加える力Ｆ₁のみを打ち消す回転トルクをモータ２２ａ，２２ｂに発生させる。
これにより、歩行車１に過剰な推進力が付加されるのを防ぐことができ、かつ利用者は歩行車１の重さがなくなったような感覚で歩行車１を操作できるようになる。すなわち、路面の状況に応じて適切な力で歩行支援を行うことができる。

なお、摩擦などによる回転トルクの伝達損失Ｇ［Ｎ・ｍ］の値を予め設定しておき、演算部２５２ａ，２５２ｂは以下の式（２）を用いて回転トルクＴを算出するものとしても良い。
Ｔ＝ｆ₁（θ₁）＋Ｇ
＝Ｆ₁・Ｒ＋Ｇ ・・・（２）
ここで、関数ｆ₁（θ₁）に対して加算された値Ｇは、摩擦などによる回転トルクの伝達損失のみを補償する値とする。したがって、歩行車１に過剰な推進力は付加されない。

また、ハンドル１４ａ，１４ｂを握る強さやひねる角度などの操作に応じた値ｐを取得する操作情報取得部を設け、演算部２５２ａ，２５２ｂは以下の式（３）を用いて回転トルクＴを算出するものとしても良い。
Ｔ＝ｆ₁（θ₁）＋ｆ₂（ｐ）
＝Ｆ₁・Ｒ＋ｆ₂（ｐ） ・・・（３）
関数ｆ₁（θ₁）に対して加算された関数ｆ₂（ｐ）は、利用者の操作に応じた値ｐを変数とする関数である。このとき、利用者の操作によって歩行車１に過剰な推進力が付加されるのを防ぐために、関数ｆ₁（θ₁）の値に対して関数ｆ₂（ｐ）の値が大きくなりすぎないように値ｐの上限値を設定しておく。

また、傾斜センサ２４ａ，２４ｂとしては、加速度センサを用いる方法もあるが、歩行車１の重力方向に対する傾きの角度を検出するポテンショメータを設けたものとしても良い。また、走行中の路面又は歩行車１の周辺の画像を撮影するカメラと、撮影した画像を用いて歩行車１の重力方向に対する傾きの角度を検出する画像処理部とを設けたものとしても良い。重力方向に対する傾斜角度を検出する手段であれば、任意のものを用いて良い。

また、前輪１２ａ，１２ｂ又は後輪１３ａ，１３ｂに回転角度センサ又は回転角速度センサを取り付けたものとしても良い。回転角度センサ又は回転角速度センサによって、前輪１２ａ，１２ｂ又は後輪１３ａ，１３ｂの回転数が過剰になっていることが検出された場合、パワーアシスト装置２ａ，２ｂは周囲に警報を発するか、又は検出時の回転を制動するような回転トルクをモータ２２ａ，２２ｂに発生させる。また、その他の移動センサ（加速度センサ、ＧＰＳなど）を用いても良い。

また、歩行車１のフレーム１１ａ，１１ｂ、ハンドル１４ａ，１４ｂ及び台座１５などは任意の構造のものを用いて良く、図１に示す構造に限定されない。また、歩行車１に代えてシルバーカーを用いても良い。

また、歩行車１の台座１５又は図示しない取付かごの積載物の重量ｍｇを検出する重量検出部（重量検出手段）を設け、演算部２５２ａ，２５２ｂは歩行車１の重量Ｍｇに積載物の重量ｍｇを加算して回転トルクＴを算出するものとしても良い。

さらに、モータ２２ａ，２２ｂのモータ軸を駆動車輪の車軸と直接連動させる構成に代えて、モータ２２ａ，２２ｂで発生させた回転トルクを何らかの伝達機構を介して駆動車輪に伝える構成としても良い。伝達機構は、駆動車輪に当接し、かつモータ２２ａ，２２ｂと連動して回転するトルク伝達車輪など、任意の構成のものを用いて良い。

また、演算部２５２ａの演算に用いる関数ｆ₁（θ₁）の内容は、式（１）に示すものに限定されない。検出した角度θ₁を変数として、傾き及び自重によって歩行車１に加わる力Ｆ₁を演算できるものであれば、任意の関数を用いて良い。

実施の形態２．
図５及び図６を参照して、左右方向の傾きによって歩行車に加わる横向きの力の影響を打ち消す歩行車及びパワーアシスト装置について説明する。
なお、実施の形態２の歩行車１及びパワーアシスト装置２ａ，２ｂは、実施の形態１と同様の構成をそれぞれ有しており、同様の構成部材には同一の符号を付して説明を省略する。

このように構成されたパワーアシスト装置２ａ，２ｂの動作について説明する。
図５に示す如く、傾斜センサ２４ａ，２４ｂは、重力方向に対する歩行車１の左右方向の傾きの角度θ₂を検出する（ステップＳＴ１ａ）。次いで、演算部２５２ａ，２５２ｂは、以下の式（４）を用いてフレーム１１ａに取り付けた左側の駆動車輪に伝達する回転トルクＴ_L及びフレーム１１ｂに取り付けた右側の駆動車輪に伝達する回転トルクＴ_Rをそれぞれ演算する（ステップＳＴ２ａ）。

式（４）において、ｆ₃（θ₂）及びｆ₄（θ₂）はいずれも角度θ₂を変数とする互いに異なる関数を示している。

ドライバ指令部２５３ａ，２５３ｂは、対応するモータドライバ２３ａ，２３ｂに対して、モータ２２ａ，２２ｂにそれぞれ異なる回転トルクを発生させるように指令信号をそれぞれ出力する（ステップＳＴ３ａ）。このとき、左側の駆動車輪に回転トルクＴ_Lが伝達されるような回転トルクをモータ２２ａに発生させる。同様に、右側の駆動車輪に回転トルクＴ_Rが伝達されるような回転トルクをモータ２２ｂに発生させる。

モータドライバ２３ａ，２３ｂの制御の下でモータ２２ａ，２２ｂが発生した回転トルクＴ_L及び回転トルクＴ_Rは、左右の駆動車輪にそれぞれ伝達される。

パワーアシスト装置２ａ，２ｂは、図示しない電源を入れるか又はパワーアシスト機能をＯＮにすることを要求された場合に、歩行車１の走行中、利用者の操作にかかわらずステップＳＴ１ａ〜ステップＳＴ３ａを一定周期で自動的に繰り返す。

ここで、図６に示す如く、歩行車１が進行方向の左側が谷側となり右側が山側となる傾斜面を走行している場合、演算部２５２ａはｆ₃（θ₂）≧ｆ₄（θ₂）の条件を満たす関数ｆ₃（θ₂）を用いて回転トルクＴ_Lを演算する。同様に、演算部２５２ｂはｆ₄（θ₂）≦ｆ₃（θ₂）の条件を満たす関数ｆ₄（θ₂）を用いて回転トルクＴ_Rを演算する。
一方、歩行車１が進行方向の右側が谷側となり左側が山側となる傾斜面を走行している場合、演算部２５２ａはｆ₃（θ₂）≦ｆ₄（θ₂）の条件を満たす関数ｆ₃（θ₂）を用いて回転トルクＴ_Lを演算する。同様に、演算部２５２ｂはｆ₄（θ₂）≧ｆ₃（θ₂）の条件を満たす関数ｆ₄（θ₂）を用いて回転トルクＴ_Rを演算する。

このとき、斜面の傾斜の角度θ₂及び重量Ｍｇによって歩行車１に加わる横向きの力Ｆ₂の影響が、回転トルクＴ_Lと回転トルクＴ_Rの差によって打ち消されるように関数ｆ₃（θ₂）及び関数ｆ₄（θ₂）を設定する。
これにより、歩行車１が左右方向の傾斜面を走行する際に、利用者の意思に反して傾斜の谷側に曲がりながら前進する現象（いわゆる「片流れ」）の発生を防ぐことができる。

以上のように、この実施の形態２のパワーアシスト装置２ａ，２ｂは、左右方向の傾斜などの路面の状況に応じて、利用者の操作にかかわらず、歩行車１の傾きの角度θ₂及び重量Ｍｇによって重力が歩行車１に加える横向きの力Ｆ₂の影響を打ち消す回転トルクをモータ２２ａ，２２ｂにそれぞれ発生させる。
これにより、歩行車１が左右方向の傾斜面を走行する際に片流れの発生を防ぐことができる。すなわち、路面の状況に応じて適切な力で歩行支援を行うことができる。

なお、パワーアシスト装置２ａ，２ｂは、図３に示すステップＳＴ１〜ステップＳＴ３の処理と、図５に示すステップＳＴ１ａ〜ステップＳＴ３ａの処理とを両方行うものとしても良い。

その他、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 歩行車（歩行支援機）
２ａ，２ｂ パワーアシスト装置
１１ａ，１１ｂ フレーム
１２ａ，１２ｂ 前輪（車輪）
１３ａ，１３ｂ 後輪（車輪）
１４ａ，１４ｂ ハンドル
１５ 台座
２２ａ，２２ｂ モータ
２３ａ，２３ｂ モータドライバ（モータ制御手段）
２４ａ，２４ｂ 傾斜センサ（傾き検出手段）
２５ａ，２５ｂ 制御部
２５１ａ，２５１ｂ センサ値取込部
２５２ａ，２５２ｂ 演算部（演算手段）
２５３ａ，２５３ｂ ドライバ指令部

Claims (7)

1. 歩行支援機の重力方向に対する傾きの角度を検出する傾き検出手段と、
   前記傾きによって前記歩行支援機に加わる重力による力とつりあう力を発生する前記歩行支援機の車輪の回転トルクを演算するトルク演算手段と、
   前記車輪と連動したモータに前記回転トルクを発生させるモータ制御手段と、
   を具備することを特徴とするパワーアシスト装置。
2. 前記トルク演算手段は、前記傾きの角度の値と、前記歩行支援機の重量の値と、前記車輪の直径の値とを用いて前記回転トルクを演算するように構成してなることを特徴とする請求項１記載のパワーアシスト装置。
3. 前記トルク演算手段は、前記歩行支援機の両側端部にそれぞれ設けた前記車輪について、それぞれ異なる関数を用いて前記回転トルクを演算するように構成してなることを特徴とする請求項２記載のパワーアシスト装置。
4. 前記トルク演算手段は、前記回転トルクの伝達損失の値を加味して前記回転トルクを演算するように構成してなることを特徴とする請求項２記載のパワーアシスト装置。
5. 前記歩行支援機の積載物の重量を検出する重量検出手段を具備し、
   前記トルク演算手段は、前記積載物の重量の値を加味して前記回転トルクを演算するように構成してなる
   ことを特徴とする請求項２記載のパワーアシスト装置。
6. フレームの端部に取り付けられた走行用の車輪と、
   重力方向に対する傾きの角度を検出する傾き検出手段と、
   前記傾きによって歩行支援機本体に加わる重力による力とつりあう力を発生する前記車輪の回転トルクを演算するトルク演算手段と、
   前記車輪と連動したモータに前記回転トルクを発生させるモータ制御手段と、
   を具備することを特徴とする歩行支援機。
7. 傾き検出手段で、歩行支援機の重力方向に対する傾きの角度を検出する傾き検出ステップと、
   トルク演算手段で、前記傾きによって前記歩行支援機に加わる重量による力とつりあう力を発生する前記歩行支援機の車輪の回転トルクを演算するトルク演算ステップと、
   モータ制御手段で、前記車輪と連動したモータに前記回転トルクを発生させるモータ制御ステップと、
   を具備することを特徴とするパワーアシスト方法。

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