JP4318017B2

JP4318017B2 - Driving assist device for hemiplegic person wheelchair and hemiplegic person wheelchair

Info

Publication number: JP4318017B2
Application number: JP2001010725A
Authority: JP
Inventors: 伸明小林; 亮一鈴木; 俊英中; 康有神戸
Original assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Current assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Priority date: 2001-01-18
Filing date: 2001-01-18
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2021-01-18
Also published as: JP2002209954A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、片麻痺者の方々（脳出血、脳梗塞などの脳血管障害や、脳外傷、脳腫瘍などの傷病によって身体の左右いずれか片側が麻痺状態になった方々）が、自力で動かせる片手で走行操作しながら使用する標準型（汎用型）の車椅子の走行を助けるための走行補助制御方法と、その制御方法によって作動する走行補助装置、ならびにその走行補助装置を装備した片麻痺者用車椅子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、片麻痺者を対象にした片手駆動車椅子として、ダブルハンドリム方式やレバー方式の車椅子が周知である。例えば現状で多くの片麻痺者は、標準型（日本工業規格：JIS T9201-1998で規格されている手動車椅子・自走用標準型）の車椅子を使用し、健体側の手でハンドリムを回して駆動し健体側の足で操舵（車の方向付け）を行っている。しかしこのような従来の標準型車椅子では、旋回する場合、ピボットターン（旋回したい地点での点旋回動作）が不可能で旋回半径が大きく、また総じて過大な操作力を要して片麻痺者の操作負担が大きいという難点がある。また駆動・操舵力の大部分を電動に頼る電動式車椅子も周知であるが、片麻痺者介護の基本の一つとして、片麻痺者の身体の残存能力を活かし身体の機能回復を図る自立支援が重要であることから、安易に電動式車椅子に全てを頼ることが好ましくない場合も多い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、片麻痺者（片麻痺患者）の身体の左右いずれか片側の手足に残存する運動能力によって、片麻痺者自身で自分が乗った車椅子を駆動・操舵することを基本にし置きながら、片麻痺者に対し走行操作上の過大な労力負担が掛からないようすると共に、楽な操作で車椅子のピボットターンを可能にして狭い床面においても車椅子の方向転換ができるようにしようとするものである。またそのために、既存の標準型車椅子に着脱自在に容易に付加できる走行補助制御手段を具現化しようとするものである。
【０００４】
そしてこの発明の車椅子走行補助制御手段は言うまでもなく駆動補助機能（パワーアシスト）と操舵補助機能（操舵アシスト）を備えるが、特に操舵補助機能（操舵アシスト）に重点を置くものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題・目的を達するために、この発明は、車椅子の健体側車輪（片麻痺者が運動能力の残存する方の手で回転駆動できる片側の車輪）の回転角を目標値として、車椅子の患体側車輪（片麻痺者の麻痺した半身の側の車輪で片麻痺者が自力で回転駆動できない他方の片側の車輪）の回転を健体側車輪の回転に追従させるように制御し、健体側車輪と患体側車輪を同方向に同回転数で回転させることにより車椅子を前後に直進させ、両車輪を逆方向に同回転数で回転させることにより車椅子をピボットターンさせる。
【０００６】
またこの発明は、内部モデル制御（ＩＭＣ＝Internal Model Control ）と最適レギュレータ（ＬＱ＝Linear Quadratic ）の極限的性質を併用した制御方式を車椅子の駆動・操舵制御に応用することにより、患体側車輪の目標追従と外乱（外力）推定が同時に精度良く行えるよう制御する。すなわち、2次形式評価関数を最小とする最適レギュレータの極限性質と内部モデル制御を組み合わせることにより、また状態フィードバックによる制御の外乱分離特性を、逆システムをコントローラとした内部モデル制御と併用することにより、外乱推定特性や目標値追従特性を相乗効果で向上させ、精度の高い目標値追従制御と外乱推定機能を備えた制御系を得る。
【０００７】
またこの発明は、健体側車輪の回転角度変位を計測する健体側エンコーダと、患体側車輪の回転角度変位を計測する患体側エンコーダと、健体側エンコーダの読み取り回転方向を正逆に切り換える切換スイッチと、この切換スイッチを介して出力される健体側エンコーダの出力信号と患体側エンコーダの出力信号を比較演算して制御信号を生成するマイクロコンピュータと、その制御信号によって回転制御され患体側車輪を駆動するサーボモータと、そのサーボモータの回転を患体側車輪に伝達する減速ギア群を主要部として構成した走行補助装置を、標準型車椅子に着脱自在に付加する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
この発明の基本的な実施形態の一つは、健体側車輪の回転角を検知し、その健体側車輪の回転角を目標値として患体側車輪を駆動するサーボモータの回転を制御することにより、患体側車輪の回転を健体側車輪の回転に追随させ、健体側車輪と患体側車輪を同方向に同回転数で回転させることにより車椅子を前後に直進させ、健体側車輪と患体側車輪を逆方向に同回転数で回転させることにより車椅子をピボットターンさせる片麻痺者用車椅子である。
【０００９】
この発明の他の基本的な実施形態は、健体側車輪の回転角を検知し、内部モデル制御と最適レギュレータの極限的性質を併用して、健体側車輪の回転角を目標値として患体側車輪を駆動するサーボモータの回転を制御することにより、患体側車輪の回転を健体側の回転に追随させ、健体側車輪と患体側車輪を同方向に同回転数で回転させることにより車椅子を前後に直進させ、健体側車輪と患体側車輪を逆方向に同回転数で回転させることにより車椅子をピボットターンさせる片麻痺者用車椅子である。
【００１０】
この発明の他の基本的な実施形態は、健体側車輪の回転角度変位を計測する健体側エンコーダと、患体側車輪の回転角度変位を計測する患体側エンコーダと、健体側エンコーダの読み取り回転方向を正逆に切り換える切換スイッチと、この切換スイッチを介して出力される前記健体側エンコーダの出力信号と前記患体側エンコーダの出力信号を比較演算して制御信号を生成するマイクロコンピュータと、その制御信号によって回転制御され患体側車輪を駆動するサーボモータと、そのサーボモータの回転を患体側車輪に伝達する減速ギア群を主要部とする片麻痺者用車椅子の走行補助装置である。
【００１１】
この発明の他の基本的な実施形態は、健体側車輪の回転角度変位を計測する健体側エンコーダと、患体側車輪の回転角度変位を計測する患体側エンコーダと、健体側エンコーダの読み取り回転方向を正逆に切り換える切換スイッチと、この切換スイッチを介して出力される前記健体側エンコーダの出力信号と前記患体側エンコーダの出力信号を比較演算して制御信号を生成するマイクロコンピュータと、その制御信号によって回転制御され患体側車輪を駆動するサーボモータと、そのサーボモータの回転を患体側車輪に伝達する減速ギア群を含む走行補助装置を着脱自在に装着し、その減速ギア群を介して患体側車輪の軸とサーボモータを連結し、健体側エンコーダならびに患体側エンコーダをそれぞれ健体側車輪ならびに患体側車輪に対応させて配し、且つ前記サーボモータ、マイクロコンピュータの電源装置を搭載した片麻痺者用車椅子である。
【００１２】
【実施例】
以下この発明の一実施例を図面を参考に説明する。図１は、この発明の実施例の片麻痺者用車椅子の基本構成とその走行補助制御方法を示すブロック図である。図１において、1aは片麻痺者が車椅子に乗車した状態における車椅子の健体側車輪、1bは同車椅子の患体側車輪で、片麻痺者は自力運動機能が残っている健体側の手で健体側車輪1aを回転させ車椅子を前後に走行させる。なお、車椅子は通常多用されている標準型の車椅子（日本工業規格：JIS T9201-1998で規定されている標準型車椅子）である。2aは健体側車輪1aの回転角度変位を計測する健体側エンコーダ（この実施例では光学式ロータリーエンコーダ）、2bは患体側車輪1bの回転角度変位を計測する患体側エンコーダ（この実施例では光学式ロータリーエンコーダ）である。３は片麻痺者がその健体側の足で切り換え操作する切換スイッチ（フット切換スイッチ）で、車椅子を前後に走行させる直進制御状態に置くか、車椅子をその場で旋回させるピボットターン制御状態に置くか、の制御選択をするための切換スイッチである。４はカウンターボード、５はマイクロコンピュータ、６はＤ／Ａコンバータ、７は増幅器である。８は、患体側車輪1bを健体側1aの回転に追従させて回転駆動するサーボモータ（患体側車輪駆動用サーボモータ）である。９は、サーボモータ８の回転を減速して患体側車輪に伝える減速ギア群（ギアボックス）である。１０は電源（バッテリー電源）で、サーボモータ８、増幅器７、Ｄ／Ａコンバータ６、マイクロコンピュータ５、カウンターボード４、健体側エンコーダ1a 、患体側エンコーダ1bなどの電源として車椅子に搭載される。そして、健体側エンコーダ2a 、患体側エンコーダ2b 、切換スイッチ３、カウンターボード４、マイクロコンピュータ５、Ｄ／Ａコンバータ６、増幅器７、サーボモータ８、減速ギア群９などで片麻痺者用車椅子の走行補助装置Ｗが構成され、走行補助装置Ｗが標準型の車椅子に着脱自在に取り付けられる。
【００１３】
次にこの片麻痺者用椅子の走行補助制御方法について説明する。片麻痺者が健体側車輪1aを前転（前進方向の回転）あるいは後転（後進方向の回転）させると、その健体側車輪1aの回転角を健体側エンコーダ2aが検知して読み取り、その健体側車輪1aの回転角検知信号が切換スイッチ３とカウンターボード４を介してマイクロコンピュータ５に入力される。一方、車椅子の患体側車輪1bの回転角は患体側エンコーダ2bで検出され読み取られて、その患体側車輪1bの回転角検知信号がマイクロコンピュータ５に入力される。マイクロコンピュータ５は、前記健体側車輪1aの回転角検知信号と患体側車輪1bの回転角検知信号をもとに演算して、健体側車輪1aの回転角を目標値として患体側車輪1bの回転を健体側車輪1aの回転に追従させるためのサーボモータ制御信号を出力する。このサーボモータ制御信号は、Ｄ／Ａコンバータ６および増幅器７を介してサーボモータ８に伝達され、そのサーボモータ制御信号によって、患体側車輪1bが健体側車輪1aの回転に追従して回転するようサーボモータ８の回転が制御される。
そして、患体側車輪1bの回転変位は患体側エンコーダ2bで検出されマイクロコンピュータ５にフィードバックされ患体側車輪1bの追従回転制御演算が継続する。
【００１４】
そして切換スイッチ３を直進制御状態に入れると、患体側車輪1bは健体側車輪1aの回転に追従して同方向に同回転数で回転し車椅子は前方あるいは後方に直進する。また切換スイッチ３をピボットターン制御状態に選択すると、健体側エンコーダ2aによる健体側車輪1aの回転方向の読み取りが逆方向に転換され、患体側車輪1bは健体側車輪1aの回転に逆方向に追従して逆方向に同回転数で回転する。その結果、車椅子をその場でピボット旋回させることができる。
【００１５】
図２ないし図５は車椅子への走行補助装置Ｗの取り付け状態を示すものである。すなわち、標準型の車椅子Ｍの座席Ｓの下方空間に、健体側エンコーダ2a 、患体側エンコーダ2b 、サーボモータ８、減速ギア群９などからなる走行補助制御装置Ｗを電源（図示省略）と共に着脱自在に装着している。減速ギア群９は、サーボモータ８の回転軸に取り付けた平歯車９１、平歯車９１と噛み合った平歯車９２、平歯車９２と同軸上にあるウォーム９３、ウォーム９３と噛み合ったウォームホイール９４、ウォームホイール９４と同軸上にある螺子歯車９５、螺子歯車９５と噛み合った螺子歯車９６などからなり、最終段の螺子歯車９６から減速ギア群９の出力9aが突出している。そして別途着脱自在のカップリング１１によって、減速ギア群９の出力軸9aと患体側車輪1bの回転軸1cを連結している。したがってカップリング１１を取り外せば、走行補助装置Ｗが患体側車輪1bから切り離されて通常の標準型車椅子の機能となり、介護者がその車椅子Ｍを押したり操作する場合に、患体側車輪1bに走行補助装置Ｗの負荷が掛からないことから、車椅子Ｍを軽く動かすことができる。
【００１６】
また切換スイッチ３は、車椅子Ｍの前部にあるフットレストＭａの上に、支軸１２で矢印Ｐ方向Ｐに回動自在に取り付けられている。そして片麻痺者が健体側の足で切換スイッチ３を踏み込みその状態で矢印Ｐ方向に回動させることにより切換スイッチ３を切換操作し、車椅子Ｍの直進と旋回を切り換える。このように切換スイッチ３が踏み込まれている状態でのみ矢印P方向の回動を可能にしたのは、片麻痺者が車椅子の直進と旋回の切り換えを間違えないように配慮したためである。なお、切換スイッチ３は健体側の手で切換操作するスイッチであっても勿論良いが、フット切換スイッチであれば健体側の手と足で車椅子をより機敏に走行操作することができる。
【００１７】
この発明に係る片麻痺者用車椅子の走行補助制御方法と補助制御装置における基本的特徴は、車椅子Ｍの直進、ピボットターン、方向変換の制御方式として、健体側車輪の回転角を目標値とする目標値追従方式を採用し、その目標値追従方式に内部モデル制御と２次形式評価関数を最小とする最適制御の極限的性質を併用したことである。そして健体側車輪の回転角を目標値とする目標値追従方式は、内部モデル制御と状態フィードバックによる制御の性質を併用したものである。一般に内部モデル制御（ＩＭＣ＝Internal Model Control ）に最適レギュレータ（ＬＱ＝Linear Quadratic）を併用する制御方式によって良好な目標追従系が得られることは既に知られており、実際のメカニカルシステムの制御においてもその有効性が確認されているが、この発明はその制御方式を片麻痺者用車椅子の制御に用いて優れた効果を得るものである。
【００１８】
次に内部モデル制御（ＩＭＣ）に最適レギュレータ（ＬＱ）の極限的性質を併用した制御方式を片麻痺者車椅子の制御に応用する有効性について検証する。そこで次式の線形システムを考える。
【００１９】
【数１】

【００２０】
このシステムに対して次式の２次形式評価関数Jを考える。
【００２１】
【数２】

ここでQ , Rは重み行列で、Rは正定な対称行列、Qは非負定な対称行列とする。
【００２２】
この評価関数Jを最小にする制御入力uは、式（１）,（２）の線形システム（A , B , C）が可安定、可検出であるとき、次式に示されるフィードバック解で与えられることは良く知られている。
【００２３】
【数３】

【００２４】
特に、
【数４】

としたときに得られる極限フィードバックゲインＦ_∞の性質として、次式の外乱除去特性が知られている。
【００２５】
【数５】

式（７）, （８）の外乱印加系に式（４）,（５）の極限フィードバックゲインを施した閉ループ系の外乱ξから出力yまでの伝達関数は次式となり、その極限において外乱が除去される。
【００２６】
【数６】

【００２７】
また、外乱の影響を除去する手法に外乱分離制御がある。これは式（１）,（２）のシステムが、次式の条件のもとでの制御である。
【００２８】
【数７】

とする制御である。しかし一般に外乱の情報を入手するのは困難であることから、式（１１）のフィードバックゲインFを最適レギュレータによって求め、外乱ξを内部モデル制御（IMC）で推定し外乱を除去する。
【００２９】
一般的に、メカニカルシステムは入力端から外乱が印加されることが多いため、式（７）,（８）の外乱印加系を次式のように表す。
【００３０】
【数８】

【数９】

【００３１】
この式（１３）,（１４）のシステムに対して、図６のような構成を考える。このとき、外乱から出力までの伝達関数は、次式のようになる。
【００３２】
【数１０】

【００３３】
次に車椅子の片側の車輪の簡易モデルを図７に示す。同図において、各パラメータは次の通りである。
ｍ［ｋｇ］：車輪の質量
M_ξ[ｋｇ] ：質量誤差
ｒ［ｍ］：車輪の半径
τ［Ｎｍ］：車輪に加わるトルク
φ［ｒａｄ］：車輪の角度変位
ｃ［Ｎｓ／ｍ］：車輪に加わる粘性抵抗
μ ：車輪と地面間の摩擦係数
ｇ［ｍ／s²］：重力加速度
【００３４】
ここで上記粘性係数ｃは、車椅子に基準体重（この例では５０kgとする）の人が乗車していると仮定した場合の片側の車輪に加わる等価粘性抵抗である。また、車輪の各パラメータを計測した結果は次の通りである。
ｍ［ｋｇ］： 2.30
ｒ［ｍ］： 0.285
ｃ［Ｎｓ／ｍ］： 59.41
【００３５】
前記図６に示した制御方式において、入力φ_in に目標値としての健体側車輪の回転角を与え、出力φ_outとして患体側車輪の回転角を出力することによって、車椅子の直進が可能となり、入力φ_inの正・負の符号を反転させることによって、車椅子のピボットターンが可能になる。
【００３６】
ここで図７の点Ｏの周り（車輪軸周り）の釣り合いを考えて運動方程式を求めると次式のようになる。
【００３７】
【数１１】

ここで質量誤差Ｍ_ξは基準体重からのずれを表し、基準体重と異なる人が乗車した場合を考慮している。
【００３８】
また制御対象の数式モデルは次式のようになる。
【００３９】
【数１２】

【００４０】
次に最適レギュレータを利用して、システムにｕ＝Ｆｘ＋ｖとする状態フィードバック則Ｆ＝［ｆ₁₁ ｆ₁₂］を施すと、システムは次の式（２０）（２１）となり、伝達関数は次の式（２２）となり逆システムの伝達関数は次の式（２３）のようになる。
【００４１】
【数１３】

【００４２】
【数１４】

【００４３】
そしてこのシステムの最小実現を求めることで、近似逆システムは次式（２５）（２６）（２７）（２８）（２９）（３０）のように構成でき、図６に示した制御系の構成が可能になる。
【００４４】
【数１５】

【００４５】
なお上記の簡易モデルでは、R=I ，Q=700Iとした極限フィードバックゲイン F_∞を用いてフィードバックFを設計し、式（２７）（２８）（２９）（３０）の近似逆システムのパラメータはε＝0.08とした。
【００４６】
図８および図９は基準体重５０kgの人が片麻痺者用車椅子Ｍに乗車して健体側車輪1aを操作した実験結果を示し、図１０は体重６５kgの人が操作した実験結果を示している。図８，９，１０には、制御時間（操作時間）１０秒間における、健体側車輪1aと患体側車輪1bの水平変位［単位ｍ］と、健体側車輪1aに対する患体側車輪1bの追従誤差［単位ｍ］を、サンプリングタイム0.01秒間隔で測定した結果を示している。
【００４７】
図８は車椅子Ｍが前進して約5.0秒後に後退した結果を示し、図９は車椅子Ｍが前進後180°右旋回して約6.3秒後に停止した結果を示している。また図１０は車椅子Ｍが前進して約4.5秒後にある段差を乗り越えて約6.9秒後に停止した結果を示している。そして車椅子Ｍの直進動作時において、健体側車輪1aの回転（目標値）に対し患体側車輪1bの回転が良好に追従していることが、図８から確認できる。また図９からも、健体側車輪1aの回転に対し患体側車輪1bが良好に追従していることが分かる。すなわち旋回時では、健体側1aの回転変位を健体側2aで逆方向に読み取っているので、患体側車輪1bの回転が健体側車輪1aの回転に対して逆方向で同期しており、ピボットターンが実現されていることが分かる。さらにまた図１０により、基準体重以外の人が乗車しても、段差の乗り越えがあっても、患体側車輪1bは健体側車輪1aの動きに良好に追従しており、この程度の外乱やパラメータの変動に対しも良好な目標追従制御が実現されていることが確認できる。
【００４８】
【発明の効果】
上記の実施例からも明らかなように、この発明によれば、片麻痺者の健体側の片手で車椅子の健体側車輪を回転操作することにより、片麻痺者に過大の労力負担を加えることなく、両手による操作の場合と同様に、車椅子の走行・操舵操作をすることができる上に、車椅子をその場で反転させるピボットターンが可能となる。またその直進とピボットターンは、健体側の手足で操作する切換スイッチの切り換え操作によって簡単に選択できる。
【００４９】
またこの発明は、健体側エンコーダ、患体側エンコーダ、健体側エンコーダの読み取り回転方向を正逆に切り換える切換スイッチ、マイクロコンピュータ、患体側車輪を駆動するサーボモータ、減速ギア群などからなる走行補助装置を標準型の車椅子に着脱自在に装着するものであるから、既存の標準型車椅子を片麻痺者用車椅子に簡単に改良することができる。一方一旦車椅子にこの発明の走行補助装置を付加した後であっても、患体側車輪と減速ギア群の結合カップリングを外すことにより、患体側車輪と減速ギア群の結合を簡単に切り離して通常一般の車椅子として用いることができ、その場合、患体側車輪に走行補助装置からの負担が加わらないので車椅子の動きは軽くなる。
【００５０】
またこの発明の車椅子走行補助制御方法は、健体側車輪の回転角を目標値として患体側車輪を健体側車輪の回転角に追随させるものであるが、内部モデル制御に最適レギュレータの極限的性質を併用した制御方式を採っているので、患体側車輪の追随性が高くなり、直進走行ならびにピボットターンの特性が良好である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の片麻痺者用車椅子の構成とその走行補助制御方法の一例を示すブロック図。
【図２】同片麻痺者用車椅子の概略背面図。
【図３】同片麻痺者用車椅子の部分上面図。
【図４】同片麻痺者用車椅子の患体側車輪周りの要部上面図。
【図５】同患体側車輪周りの要部側面図。
【図６】同片麻痺者用車椅子に適用する制御システムのブロック図。
【図７】同片麻痺者用車椅子の片側の車輪の簡易モデル図。
【図８】同片麻痺者用車椅子の走行実験特性図。
【図９】同片麻痺者用車椅子の他の走行実験特性図。
【図１０】同片麻痺者用車椅子の他の走行実験特性図。
【符号の説明】
１：車椅子
１ａ：健体側車輪
１ｂ：患体側車輪
１ｃ：患体側車輪の回転軸
２ａ：健体側エンコーダ
２ｂ：患体側エンコーダ
３：切換スイッチ
４：カウンターボード
５：マイクロコンピュータ
６：Ｄ／Ａコンバータ
７：増幅器
８：サーボモータ（患体側車輪駆動用サーボモータ）
９：減速ギア群（ギアボックス）
９ａ：減速ギア群の出力軸
９１：平歯車
９２：平歯車
９３：ウォーム
９４：ウォームホイール
９５：螺子歯車
９６：螺子歯車
１０：電源
１１：カップリング
１２：支軸
Ｍ：車椅子
Ｍａ：フットレスト
Ｓ：座席
Ｗ：走行補助装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
This invention is for people with hemiplegia (people whose left or right side of the body has become paralyzed due to cerebrovascular disorders such as cerebral hemorrhage or cerebral infarction, brain trauma, brain tumors, etc.) TECHNICAL FIELD The present invention relates to a driving assistance control method for assisting traveling of a standard (general purpose) wheelchair that is used while driving, a traveling assistance device that operates according to the controlling method, and a wheelchair for a hemiplegic person equipped with the traveling assistance device. Is.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a one-hand drive wheelchair for a hemiplegic person, a double hand rim type or a lever type wheelchair is well known. For example, at present, many hemiplegic patients use a standard type wheelchair (manufactured by JIS T9201-1998, a manual wheelchair / standard model for self-propelled driving), and rotate the hand rim with the hand on the healthy side. And steer (directing the car) with the foot on the healthy body side. However, in such a conventional standard type wheelchair, when turning, a pivot turn (point turning operation at the point where the person wants to turn) is impossible, the turning radius is large, and generally an excessive operation force is required for the hemiplegic person. There is a drawback that the operation burden is heavy. Electric wheelchairs that rely on electric power for most of the driving and steering power are also well known, but as one of the basics of caring for hemiplegic patients, self-support that supports the recovery of body functions by utilizing the body's remaining ability In many cases, it is not preferable to rely on an electric wheelchair easily.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
This invention is based on the ability to drive and steer a wheelchair on which he / she rides by the hemiplegic person himself / herself by the exercise ability remaining on the left or right limb of the body of the hemiplegic person (hemiplegic patient) It is intended to prevent the hemiplegic person from overloading the driving operation and to enable the wheelchair to be pivot-turned with easy operation so that the wheelchair can be turned even on a narrow floor. is there. For this purpose, the present invention intends to embody a travel assist control means that can be easily detachably added to an existing standard wheelchair.
[0004]
Needless to say, the wheelchair travel assist control means of the present invention includes a drive assist function (power assist) and a steering assist function (steering assist), and particularly focuses on the steering assist function (steering assist).
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned problems / objects, the present invention uses a rotation angle of a healthy wheel of a wheelchair (one wheel that a hemiplegic person can rotate and drive with a hand having exercise ability) as a target value. The rotation of the patient side wheel (the wheel on the other side of the hemiplegic person that cannot be driven by the hemiplegic person) is controlled to follow the rotation of the healthy side wheel. The wheelchair is moved forward and backward by rotating the body side wheel and the patient side wheel in the same direction at the same rotation number, and the wheelchair is pivot-turned by rotating both wheels in the opposite direction at the same rotation number.
[0006]
In addition, the present invention applies a control method that combines the extreme properties of internal model control (IMC = Internal Model Control) and optimal regulator (LQ = Linear Quadratic) to the driving / steering control of a wheelchair. Control is performed so that target tracking and disturbance (external force) estimation can be performed simultaneously with high accuracy. In other words, by combining the limit characteristics of the optimal regulator that minimizes the quadratic evaluation function and internal model control, and by using the disturbance separation characteristics of control by state feedback in combination with internal model control using the inverse system as the controller Thus, a disturbance estimation characteristic and a target value tracking characteristic are improved by a synergistic effect, and a control system having a highly accurate target value tracking control and a disturbance estimation function is obtained.
[0007]
Further, the present invention switches the normal rotation encoder for measuring the rotation angle displacement of the healthy body side wheel, the patient side encoder for measuring the rotation angle displacement of the patient side wheel, and the reading rotation direction of the healthy body side encoder. A changeover switch, a microcomputer that compares and outputs the output signal of the healthy encoder and the output signal of the patient encoder that are output via the changeover switch, and a control signal that is rotationally controlled by the control signal. A travel assist device composed mainly of a servo motor for driving the wheel and a reduction gear group for transmitting the rotation of the servo motor to the patient side wheel is detachably added to the standard wheelchair.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
One of the basic embodiments of the present invention is to detect the rotation angle of a healthy body side wheel and control the rotation of a servo motor that drives the affected body side wheel with the rotation angle of the healthy body side wheel as a target value. Thus, the rotation of the patient-side wheel follows the rotation of the healthy-body wheel, and the healthy-body wheel and the patient-side wheel are rotated in the same direction at the same number of rotations so that the wheelchair advances straight forward and backward. This is a hemiplegic wheelchair that pivots the wheelchair by rotating the patient side wheel in the opposite direction at the same rotation speed .
[0009]
In another basic embodiment of the present invention, the rotation angle of the healthy body side wheel is detected, and the internal model control and the extreme property of the optimum regulator are used in combination, and the rotation angle of the healthy body side wheel is set as the target value. By controlling the rotation of the servo motor that drives the body-side wheel, the rotation of the patient-side wheel follows the rotation on the healthy body side, and the healthy body wheel and the patient-side wheel are rotated in the same direction at the same number of rotations. A wheelchair for a hemiplegic person who pivots a wheelchair by rotating the wheelchair straight back and forth, and rotating the healthy body side wheel and the affected body side wheel in the opposite directions at the same rotational speed .
[0010]
Another basic embodiment of the present invention includes a healthy body encoder that measures rotation angle displacement of a healthy body side wheel, a patient body encoder that measures rotation angle displacement of a patient body wheel, and a reading of the healthy body encoder. A changeover switch for switching the rotation direction between forward and reverse, a microcomputer for generating a control signal by comparing the output signal of the healthy body encoder and the output signal of the patient side encoder output via the changeover switch, This is a traveling assist device for a wheelchair for a hemiplegic patient, the main part of which is a servo motor that is rotationally controlled by the control signal and drives a patient side wheel, and a reduction gear group that transmits the rotation of the servo motor to the patient side wheel.
[0011]
Another basic embodiment of the present invention includes a healthy body encoder that measures rotation angle displacement of a healthy body side wheel, a patient body encoder that measures rotation angle displacement of a patient body wheel, and a reading of the healthy body encoder. A changeover switch for switching the rotation direction between forward and reverse, a microcomputer for generating a control signal by comparing the output signal of the healthy body encoder and the output signal of the patient side encoder output via the changeover switch, A travel assist device including a servo motor that is rotationally controlled by the control signal and drives the patient-side wheel and a reduction gear group that transmits the rotation of the servo motor to the patient-side wheel is detachably attached, via the reduction gear group. By connecting the servo wheel and the axis of the patient side wheel, the healthy side encoder and the patient side encoder correspond to the healthy side wheel and the patient side wheel, respectively. Arranged by, and the servo motor, a wheelchair Hemiplegic with the power supply device of the microcomputer.
[0012]
【Example】
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration of a wheelchair for a hemiplegic person according to an embodiment of the present invention and a driving assistance control method thereof. In FIG. 1, 1a is a wheel on the healthy side of a wheelchair in a state where a hemiplegic person gets on the wheelchair, 1b is a wheel on the subject side of the wheelchair, and a hemiplegic person is a hand on the side of the healthy body where the self-motion function remains. The healthy side wheel 1a is rotated to run the wheelchair back and forth. The wheelchair is a standard wheelchair that is commonly used (standard wheelchair defined in Japanese Industrial Standards: JIS T9201-1998). 2a is a healthy encoder (in this embodiment, an optical rotary encoder) that measures the rotation angle displacement of the healthy wheel 1a, and 2b is a patient encoder (in this embodiment) that measures the rotation angle displacement of the patient wheel 1b. Optical rotary encoder). 3 is a changeover switch (foot changeover switch) for the hemiplegic person to switch with the foot on the healthy side. The switch is placed in a straight-ahead control state in which the wheelchair travels back and forth, or in a pivot turn control state in which the wheelchair is turned on the spot. This is a change-over switch for selecting whether to put or not. 4 is a counter board, 5 is a microcomputer, 6 is a D / A converter, and 7 is an amplifier. Reference numeral 8 denotes a servomotor (patient-side wheel drive servomotor) that drives the patient-side wheel 1b to follow the rotation of the healthy body side 1a. Reference numeral 9 denotes a reduction gear group (gear box) that decelerates the rotation of the servo motor 8 and transmits it to the patient side wheel. A power source (battery power source) 10 is mounted on the wheelchair as a power source for the servo motor 8, the amplifier 7, the D / A converter 6, the microcomputer 5, the counter board 4, the healthy body side encoder 1a, the affected body side encoder 1b, and the like. The wheelchair for the hemiplegic person is made up of the healthy body side encoder 2a, the patient side encoder 2b, the changeover switch 3, the counter board 4, the microcomputer 5, the D / A converter 6, the amplifier 7, the servo motor 8, the reduction gear group 9, and the like. A travel assist device W is configured, and the travel assist device W is detachably attached to a standard wheelchair.
[0013]
Next, the driving assistance control method of this hemiplegic chair will be described. When a hemiplegic person rotates the healthy wheel 1a forward (forward rotation) or reverse (reverse rotation), the healthy encoder 2a detects and reads the rotation angle of the healthy wheel 1a. The rotation angle detection signal of the healthy body side wheel 1 a is input to the microcomputer 5 via the changeover switch 3 and the counter board 4. On the other hand, the rotation angle of the patient side wheel 1b of the wheelchair is detected and read by the patient side encoder 2b, and the rotation angle detection signal of the patient side wheel 1b is input to the microcomputer 5. The microcomputer 5 calculates based on the rotation angle detection signal of the healthy body side wheel 1a and the rotation angle detection signal of the patient side wheel 1b, and uses the rotation angle of the healthy body side wheel 1a as a target value. A servo motor control signal for causing the rotation of the motor to follow the rotation of the healthy body side wheel 1a is output. This servo motor control signal is transmitted to the servo motor 8 via the D / A converter 6 and the amplifier 7, and the patient side wheel 1b rotates following the rotation of the healthy side wheel 1a by the servo motor control signal. Thus, the rotation of the servo motor 8 is controlled.
The rotational displacement of the patient side wheel 1b is detected by the patient side encoder 2b and fed back to the microcomputer 5, and the follow-up rotation control calculation of the patient side wheel 1b is continued.
[0014]
Then, when the changeover switch 3 is set to the straight-ahead control state, the patient side wheel 1b follows the rotation of the healthy body side wheel 1a and rotates at the same rotational speed in the same direction, and the wheelchair advances straight forward or backward. When the changeover switch 3 is selected to be in the pivot turn control state, the reading of the rotation direction of the healthy side wheel 1a by the healthy side encoder 2a is reversed, and the affected side wheel 1b is reversed to the rotation of the healthy side wheel 1a. Follow the direction and rotate in the opposite direction at the same rotation speed. As a result, the wheelchair can be pivoted on the spot.
[0015]
2 to 5 show a state in which the traveling assistance device W is attached to the wheelchair. That is, a travel auxiliary control device W including a healthy body side encoder 2a, a patient side encoder 2b, a servo motor 8, a reduction gear group 9 and the like is attached to and removed from a space below a seat S of a standard wheelchair M together with a power source (not shown). Wearing freely. The reduction gear group 9 includes a spur gear 91 attached to the rotation shaft of the servo motor 8, a spur gear 92 meshed with the spur gear 91, a worm 93 coaxial with the spur gear 92, a worm wheel 94 meshed with the worm 93, a worm A screw gear 95 that is coaxial with the wheel 94, a screw gear 96 that meshes with the screw gear 95, and the like, and an output 9 a of the reduction gear group 9 protrudes from the screw gear 96 at the final stage. The output shaft 9a of the reduction gear group 9 and the rotation shaft 1c of the affected body side wheel 1b are connected by a separately detachable coupling 11. Therefore, if the coupling 11 is removed, the driving assistance device W is separated from the patient side wheel 1b and functions as a normal standard wheelchair. When the caregiver pushes or operates the wheelchair M, the driving assist device W travels to the patient side wheel 1b. Since the load of the auxiliary device W is not applied, the wheelchair M can be moved lightly.
[0016]
The changeover switch 3 is mounted on the footrest Ma at the front of the wheelchair M so as to be rotatable in the arrow P direction P by the support shaft 12. Then, the hemiplegic person depresses the changeover switch 3 with the foot on the healthy body side and turns it in the direction of the arrow P in that state, thereby switching the changeover switch 3 to switch the wheelchair M to go straight and turn. The reason why the rotation in the direction of the arrow P is made possible only in the state where the changeover switch 3 is depressed is because the hemiplegic person considers that the wheelchair does not make a mistake in switching between the straight movement and the turning. Of course, the changeover switch 3 may be a switch that is switched with the hand on the healthy body side. However, if the switch is a foot switch, the wheelchair can be operated more quickly with the hand and the foot on the healthy body side.
[0017]
The basic features of the wheelchair person's wheelchair assisting control method and the assisting control device according to the present invention are as follows. The target value tracking method is adopted, and the limit value of the optimal control that minimizes the internal model control and the quadratic evaluation function is used in combination with the target value tracking method. The target value follow-up method in which the rotation angle of the healthy side wheel is the target value uses both the internal model control and the property of control by state feedback. In general, it is already known that a good target tracking system can be obtained by a control method that uses an optimal regulator (LQ = Linear Quadratic) together with internal model control (IMC = Internal Model Control). Although its effectiveness has been confirmed, the present invention uses the control method to control a wheelchair for a hemiplegic person and obtains an excellent effect.
[0018]
Next, we will examine the effectiveness of applying the control method that combines the extreme properties of the optimal regulator (LQ) to the internal model control (IMC) to the control of hemiplegic wheelchairs. Therefore, consider the following linear system.
[0019]
[Expression 1]

[0020]
For this system, consider the quadratic form evaluation function J:
[0021]
[Expression 2]

Here, Q and R are weight matrices, R is a positive definite symmetric matrix, and Q is a non-negative definite symmetric matrix.
[0022]
The control input u that minimizes this evaluation function J is given by the feedback solution shown in the following equation when the linear systems (A, B, C) in equations (1) and (2) are stable and detectable. It is well known that
[0023]
[Equation 3]

[0024]
In particular,
[Expression 4]

As the nature of the ultimate feedback gain F _∞ obtained when a known disturbance removal characteristic of the following equation.
[0025]
[Equation 5]

The transfer function from the disturbance ξ to the output y of the closed loop system in which the ultimate feedback gains of Eqs. (4) and (5) are applied to the disturbance application system of Eqs. (7) and (8) is as follows. Removed.
[0026]
[Formula 6]

[0027]
Also, there is disturbance separation control as a method for removing the influence of disturbance. This is a control under the conditions of the following equation by the system of equations (1) and (2).
[0028]
[Expression 7]

This is the control. However, since it is generally difficult to obtain disturbance information, the feedback gain F in equation (11) is obtained by an optimal regulator, and the disturbance ξ is estimated by internal model control (IMC) to remove the disturbance.
[0029]
In general, a disturbance is often applied from the input end to the mechanical system. Therefore, the disturbance applying system of the equations (7) and (8) is expressed as the following equation.
[0030]
[Equation 8]

[Equation 9]

[0031]
A configuration as shown in FIG. 6 is considered for the systems of the equations (13) and (14). At this time, the transfer function from the disturbance to the output is as follows.
[0032]
[Expression 10]

[0033]
Next, a simplified model of a wheel on one side of the wheelchair is shown in FIG. In the figure, each parameter is as follows.
m [kg]: Wheel mass
M _ξ [kg]: Mass error r [m]: Wheel radius τ [Nm]: Torque applied to wheel φ [rad]: Wheel angular displacement c [Ns / m]: Viscous resistance applied to wheel μ: With wheel Coefficient of friction between ground g [m / s ² ]: Gravitational acceleration
Here, the viscosity coefficient c is an equivalent viscosity resistance applied to a wheel on one side when it is assumed that a person with a reference weight (50 kg in this example) is on the wheelchair. Moreover, the result of having measured each parameter of a wheel is as follows.
m [kg]: 2.30
r [m]: 0.285
c [Ns / m]: 59.41
[0035]
In the control system shown in FIG. 6, giving a rotation angle of Ken side wheels serving as a target value to an input phi _in, by outputting a rotation angle of患体side wheel as an output phi _out, it allows wheelchair straight is , by reversing the positive and negative of the sign of the input φ _in, it is possible to pivot turn of the wheelchair.
[0036]
Here, when the equation of motion is obtained in consideration of the balance around the point O (around the wheel axis) in FIG. 7, the following equation is obtained.
[0037]
[Expression 11]

Here, the mass error M _ξ represents a deviation from the reference weight, and a case where a person different from the reference weight gets in is considered.
[0038]
The mathematical model to be controlled is as follows.
[0039]
[Expression 12]

[0040]
Next, when a state feedback rule F = [f ₁₁ f ₁₂ ] is applied to the system using an optimal regulator, u = Fx + v, the system becomes the following equations (20) and (21), and the transfer function is (22) and the transfer function of the inverse system is expressed by the following equation (23).
[0041]
[Formula 13]

[0042]
[Expression 14]

[0043]
Then, by obtaining the minimum realization of this system, the approximate inverse system can be configured as the following equations (25) (26) (27) (28) (29) (30), and the configuration of the control system shown in FIG. Is possible.
[0044]
[Expression 15]

[0045]
In the above simple model, the feedback F is designed using the limit feedback gain F _∞ with R = I and Q = 700I, and the parameters of the approximate inverse system of equations (27), (28), (29), and (30) are ε = 0.08.
[0046]
FIGS. 8 and 9 show the results of an experiment in which a person with a reference weight of 50 kg gets on the wheelchair M for hemiplegics and operates the healthy wheel 1a, and FIG. 10 shows the results of the experiment with a person with a weight of 65 kg. Yes. 8, 9, and 10 show the horizontal displacement [unit m] of the healthy body side wheel 1a and the affected body side wheel 1b in the control time (operation time) of 10 seconds, and the follow-up of the affected body side wheel 1b with respect to the healthy body side wheel 1a. The error [unit m] is shown as a result of measuring at sampling time intervals of 0.01 seconds.
[0047]
FIG. 8 shows the result of the wheelchair M moving forward and retreating about 5.0 seconds later, and FIG. 9 shows the result of the wheelchair M turning 180 ° right after moving forward and stopping about 6.3 seconds later. FIG. 10 shows the result of the wheelchair M moving forward and overcoming a step about 4.5 seconds later and stopped about 6.9 seconds later. It can be confirmed from FIG. 8 that the rotation of the patient-side wheel 1b is well following the rotation (target value) of the healthy body-side wheel 1a when the wheelchair M is moving straight ahead. Also from FIG. 9, it can be seen that the affected body side wheel 1b follows the rotation of the healthy body side wheel 1a satisfactorily. That is, when turning, the rotation displacement of the healthy body side 1a is read in the reverse direction on the healthy body side 2a, so the rotation of the patient side wheel 1b is synchronized with the rotation of the healthy body side wheel 1a in the reverse direction. It can be seen that a pivot turn is realized. Furthermore, as shown in FIG. 10, even when a person other than the reference weight gets on the vehicle, even if there is a step, the affected body side wheel 1b follows the movement of the healthy body side wheel 1a well. It can be confirmed that good target tracking control is realized even with respect to parameter variations.
[0048]
【The invention's effect】
As is clear from the above-described embodiment, according to the present invention, an excessive burden is placed on the hemiplegic person by rotating the wheel on the healthy side of the wheelchair with one hand on the healthy side of the hemiplegic person. Thus, as in the case of the operation with both hands, the wheelchair can be run and steered, and a pivot turn that reverses the wheelchair on the spot is possible. Further, the straight movement and the pivot turn can be easily selected by switching operation of a changeover switch operated with a limb on the healthy body side.
[0049]
The present invention also provides a travel assist comprising a healthy encoder, a patient encoder, a changeover switch for switching the reading rotation direction of the healthy encoder to normal and reverse, a microcomputer, a servo motor for driving the patient wheel, and a reduction gear group. Since the apparatus is detachably attached to a standard wheelchair, the existing standard wheelchair can be easily improved to a hemiplegic person wheelchair. On the other hand, even after the driving assistance device of the present invention has been added to the wheelchair, the coupling between the patient side wheel and the reduction gear group can be easily separated by removing the coupling coupling between the patient side wheel and the reduction gear group. The wheelchair can be used as a general wheelchair. In this case, since the burden from the traveling assist device is not applied to the patient side wheel, the movement of the wheelchair becomes light.
[0050]
Further, the wheelchair travel assistance control method of the present invention is to make the patient side wheel follow the rotation angle of the healthy body side wheel with the rotation angle of the healthy body side wheel as a target value. Since the control system using the properties is used, the followability of the patient side wheel becomes high, and the characteristics of the straight traveling and the pivot turn are good.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an example of a configuration of a wheelchair for a hemiplegic person according to the present invention and a driving assistance control method thereof.
FIG. 2 is a schematic rear view of the wheelchair for the hemiplegic person.
FIG. 3 is a partial top view of the wheelchair for the hemiplegic person.
FIG. 4 is a top view of an essential part around a patient side wheel of a wheelchair for a hemiplegic person.
FIG. 5 is a side view of the main part around the patient side wheel.
FIG. 6 is a block diagram of a control system applied to the wheelchair for the hemiplegic person.
FIG. 7 is a simplified model diagram of a wheel on one side of the wheelchair for a hemiplegic person.
FIG. 8 is a running experiment characteristic diagram of the wheelchair for the hemiplegic person.
FIG. 9 is another running experiment characteristic diagram of the wheelchair for the hemiplegic person.
FIG. 10 is another running experiment characteristic diagram of the wheelchair for the hemiplegic person.
[Explanation of symbols]
1: Wheelchair 1a: Healthy subject side wheel 1b: Patient side wheel 1c: Rotating shaft 2a of subject side wheel: Healthy subject side encoder 2b: Subject side encoder 3: Switch 4: Counter board 5: Microcomputer 6: D / A Converter 7: Amplifier 8: Servo motor (servo motor for driving the patient side wheel)
9: Reduction gear group (gearbox)
9a: Reduction gear group output shaft 91: Spur gear 92: Spur gear 93: Worm 94: Worm wheel 95: Screw gear 96: Screw gear 10: Power supply 11: Coupling 12: Support shaft M: Wheelchair Ma: Footrest S: Seat W: Driving assistance device

Claims

健体側車輪の回転角度変位を計測する健体側エンコーダと、患体側車輪の回転角度変位を計測する患体側エンコーダと、前記健体側エンコーダの読み取り回転方向を正逆に切り換える切換スイッチと、この切換スイッチを介して出力される前記健体側エンコーダの出力信号と前記患体側エンコーダの出力信号を比較演算して制御信号を生成するマイクロコンピュータと、前記制御信号によって回転制御され前記患体側車輪を駆動するサーボモータと、前記サーボモータの回転を患体側車輪に伝達する減速ギア群を含んで成ることを特徴とする片麻痺者用車椅子の走行補助装置。A healthy body encoder that measures rotation angle displacement of the healthy body side wheel, a patient body encoder that measures rotation angle displacement of the patient body wheel, a changeover switch that switches the reading rotation direction of the healthy body encoder forward and backward, A microcomputer that generates a control signal by comparing the output signal of the healthy encoder and the output signal of the patient encoder that is output via the selector switch, and the patient wheel that is rotationally controlled by the control signal. A wheelchair assisting device for a hemiplegic person, comprising: a servomotor for driving the motor; and a reduction gear group for transmitting rotation of the servomotor to the patient side wheel.

健体側エンコーダの読み取り回転方向を正逆に切り換える切換スイッチが、車椅子の健体側フットレストに配設され片麻痺者の健体側脚の回動操作で切換えるフット切換スイッチであることを特徴とする請求項１に記載の片麻痺者用車椅子の走行補助装置。The changeover switch for switching the reading rotation direction of the healthy body encoder to forward and reverse is a foot changeover switch that is disposed on the healthy body side footrest of the wheelchair and is switched by a rotation operation of the hemiplegic person's healthy leg. The wheelchair assisting device for hemiplegic persons according to claim 1.

健体側車輪の回転角度変位を計測する健体側エンコーダ、患体側車輪の回転角度変位を計測する患体側エンコーダ、前記健体側エンコーダの読み取り回転方向を正逆に切り換える切換スイッチ、この切換スイッチを介して出力される前記健体側エンコーダの出力信号と前記患体側エンコーダの出力信号を比較演算して制御信号を生成するマイクロコンピュータ、前記制御信号によって回転制御され前記患体側車輪を駆動するサーボモータ、前記サーボモータの回転を患体側車輪に伝達する減速ギア群が一つのブロックにまとめられて成る走行補助装置が着脱自在に搭載され、前記減速ギア群が前記患体側車輪の軸と連結分離自在に連結し、前記健体側エンコーダおよび患体側エンコーダをそれぞれ健体側車輪および患体側車輪に対応させて配したことを特徴とする片麻痺者用車椅子。Healthy body side encoder for measuring rotation angle displacement of healthy body side wheel, patient body side encoder for measuring rotation angle displacement of patient side wheel, changeover switch for switching forward and reverse reading rotation direction of said healthy body side encoder, this changeover switch A microcomputer that compares and outputs the output signal of the healthy encoder and the output signal of the patient encoder that are output via a servo, and a servo that drives the patient wheel that is rotationally controlled by the control signal A travel assist device comprising a reduction gear group that transmits rotation of the motor and the servo motor to the patient side wheel is detachably mounted, and the reduction gear group is connected to and separated from the axis of the patient side wheel. Connected freely, and the healthy body side encoder and the affected body side encoder are arranged corresponding to the healthy body side wheel and the affected body side wheel, respectively. Wheelchair for hemiplegic person, characterized in that was.

健体側エンコーダの読み取り回転方向を正逆に切り換える切換スイッチが車椅子の健体側フットレスト上に装着され、片麻痺者の健体側脚の回動操作で切り換えることを特徴とする請求項３に記載の片麻痺者用車椅子。The switching switch for switching the reading rotation direction of the healthy encoder on the normal side is mounted on the healthy body footrest of the wheelchair, and is switched by the rotation operation of the hemiplegic leg of the hemiplegic person. The wheelchair for the hemiplegic person described.