JP4511344B2 - 使用者によって推進される車椅子および車椅子を推進する方法 - Google Patents

Description

技術分野および背景技術
本発明は不安定な乗物の制御に関し、さらに詳細には、少なくとも一部が使用者によって推進される乗物の動的安定化に関する。

平衡乗物によって人を推進するには、２つの構成要素が必要である。すなわち、第１に、移動を実行するために動力を供給する構成要素であり、他方では、第２に、平衡を維持する構成要素である。本明細書で用いられる平衡とは、前後平面（それはまた運動の方向および垂線によって画定される）における安定性の維持を指す。推進機能および平衡機能は、使用者によって（例えば、一輪車の場合のように）またはコントローラを併用するモータによって（参照により本明細書に組み込まれる米国特許第５７０１９６５号で説明されている個人用運送機の場合のように）提供されるのが典型である。

人が不安定な乗物の上で前後平衡を維持するには、一般に特殊な技能が必要である一方、この平衡機能には、推進を実現するために使われる動力のわずかな部分のみが必要であるに過ぎない。このような技能は少なからぬものであり、かつしばしば年齢と共に衰えていく。したがって、乗り手の平衡能力を補完することは望ましい目的である。

発明の概要
本発明の好ましい実施形態によれば、使用者によって推進可能な個人用運送機が提供される。この個人用運送機は、使用者を支持する乗せ台と、地面接触モジュールとを有し、そしてまたこのモジュールは、下に横たわる表面に対して乗せ台を推進するために軸回りに可動式の第１の地面接触要素を有する。さらには、個人用運送機は、この地面接触要素をその軸回りに推進するために、使用者からの動力を地面接触要素に結合する動力伝達系と、個人用運送機の縦揺れ変数の数値を検出するための第１検出器とを有する。動力式駆動装置が、使用者によって供給されるトルクに加えて、地面接触要素にトルクを供給し、他方では、コントローラが、地面接触要素にトルクが供給されなければ、前後平面における転倒に対して不安定となる動作位置において、個人用運送機の安定的な動作を維持するような様態で、少なくとも縦揺れ変数の数値に基づいて動力式駆動装置を制御する。

本発明の別の１実施形態によれば、個人用運送機は、第２の地面接触要素を具備することが可能であり、かつ下に横たわる表面に対して第１の地面接触要素の速度を検出するための第２検出器と、下に横たわる表面に対して第２の地面接触要素の速度を検出するための第３検出器とを具備することができる。

本発明の他の実施形態によれば、乗せ台は座席であり、地面接触要素は車輪であり、さらに動力式駆動装置はモータであり得る。検出器は傾斜計およびジャイロスコープを含み得る。

本発明の他の態様によれば、１つの車輪と、使用者からの動力をこの車輪に伝達するための動力伝達系とを有する個人用運送機を推進する方法が提供される。その方法は、
ａ． 重力に対する前後平面における個人用運送機の縦揺れ変数の数値を検出するステップと、
ｂ． 車輪にトルクが供給されなければ、前後平面における転倒に対して不安定となる動作位置において、個人用運送機の安定的な動作を維持するような様態で、使用者によって供給されるトルクに加えて、少なくとも個人用運送機の縦揺れ変数の数値に基づいてトルクを車輪に供給するステップと、を有する。

本発明の追加的な１態様によれば、複数の車輪と、使用者からの動力をこれらの車輪に伝達するための動力伝達系とを有する個人用運送機を推進する方法が提供される。その方法は、
ａ． 重力に対して前後平面における個人用運送機の縦揺れ変数の数値を検出するステップと、
ｂ． それぞれの車輪に関する回転速度の数値を検出するステップと、
ｃ． 車輪にトルクが供給されなければ、前後平面における転倒に対して不安定となる動作位置において、個人用運送機の安定的な直線動作を維持するような様態で、使用者によって供給されるトルクに加えて、少なくとも個人用運送機の縦揺れ変数の数値と車輪回転速度の数値とに基づいてトルクを車輪に供給するステップと、を有する。

本発明のさらに他の態様によれば、縦揺れ変数の数値を検出するステップは、縦揺れおよび／または縦揺れの時間変化率を測定するステップを含み得る。

特定の実施形態の詳細な説明
本明細書および添付の特許請求の範囲で用いるように、「ウィーリー」という用語は、別様であれば通常は安定的な動作モードを有する乗物の１つの動作モードを指し、このモードでは、乗物は、安定性を与えるには不十分な数の箇所で下に横たわる表面に接する。一般に、このモードでは、乗物の幾つかの車輪および使用者の足が、この表面の上方に浮いている。

図１を参照すると、本発明の１実施形態を用いる車椅子１１０が示されている。車椅子１１０は、使用者１０８を乗せる座席１０１および足置き１０５、使用者を表面１１１の上方に縣架する被動輪１０２、使用者による車椅子の推進を可能にする手摺り１０３、推進を補助するモータ１０７、ならびに、使用状態にしたときに、車椅子を３つ以上の接触領域で表面１１１上に安定的に静止させる脚輪１０４を具備する。動力伝達系は、リンク機構、歯車によるかそれとも他の任意の方法で、いずれにしても何らかの機械的手段を使用して、動力を使用者の筋系から１つまたは複数の地面接触要素に伝達可能にする。本発明の実施形態にしたがって車椅子を動的に安定させるとき、脚輪は引き込み可能である。車椅子１１０は、例示として示すものであって限定するものではなく、運送機の推進に寄与するために、使用者に由来する動力を結合できる個人用運送機はいずれも本発明の範囲内にあることを理解すべきである。図２は、図１の実施形態の側面図を示す。

この車椅子には、コントローラ１０６、検出器１１２、および入力装置１１３も搭載されている。入力装置１１３は、手摺り１０３上の力感知機構、ジョイスティック、または使用者が動的安定および動力補助のオン／オフを切り換え、かつ動的安定および動力補助の程度を変更できる他の入力装置を含み得る。傾斜計またはジャイロスコープのような縦揺れ検出器が、重力に対する車椅子の傾きおよび／または傾きの時間変化率を送信する。参照により本明細書に組み込まれる米国特許第６３３２１０３号で言及されている加速計、振り子基準検出器、および距離検出器のような他の縦揺れ検出器も使用可能であるが、これらに限定するものではない。モータまたは車椅子の車輪に装着される符号器のような車輪回転検出器が、車椅子の車輪の回転速度を送信する。

コントローラ１０６は、縦揺れ検出器から車椅子の傾きおよび／または傾きの変化率の入力を受信し、車輪回転検出器から車輪回転の入力を受信し、かつ車輪１０２を駆動するモータ１０７のトルクを変更するコマンドを出力する。その結果、車椅子１１０は、運送機が静止状態でなければ、傾きを打ち消すことなく、２つの車輪上で平衡を維持するために加速したりまたは減速したりする。

図３のブロック線図では、制御システム３５１を使用して、移動および平衡を実現するために図１の実施形態の電動部３１１、３１２を制御することが分かる。電動部３１１および３１２は、左輪および右輪にそれぞれトルクを加える。この制御システムは、使用者インターフェイス３０１、前後の縦揺れを検出するための縦揺れ検出器３０２、および車輪回転検出器３０３を含むデータ入力端を有する。

移動のために被動輪１０２が動作しているとき、図１にしたがう本発明の実施形態において平衡を維持するための単純化した制御アルゴリズムが、図４のブロック線図に示されている。プラント４０１は、制御ループ実行前の、モータによって乗物すなわち運送機を駆動するための駆動機構を表す。Ｔは車輪トルクを表す。文字θは、前後の傾き（重力、すなわち、垂線に対する運送機の縦揺れ角）を表し、ｘは、参照点に対する、表面に沿った前後変位であり、さらに文字上方のドットは、時間に関して微分された変数であることを示す。レート・ジャイロを使用して

を直接求めることもできる。この図の残りの部分は、平衡を維持するために使用される制御部である。ボックス４０２および４０３は微分を示す。システムの動的安定性を提供する動的制御を実現するために、この実施形態の車輪トルクＴは、次式を満足するように設定される。

上式で、
・Ｔは、地面接触要素に、その回転軸回りに加えられるトルクを示し、
・θは、地面接触点回りの、システム全体の傾きに対応する数量であり、θ_０はシステム縦揺れ偏位の大きさを表し（すべて以下で詳細に論じる）、
・ｘは、基準参照点に対する、表面に沿った前後変位であり、ｘ_０は特定の基準参照偏位の大きさを表し、
・文字上方のドットは、時間に関して微分された変数を示し、
・下付き添字変数は、下で説明するように、システムに入力可能な特定の偏位を示し、さらに
・Ｋ_１、Ｋ_２、Ｋ_３、およびＫ_４は、現時点の動作モードおよび動作条件ならびに使用者の選好に基づいて、システムの設計でまたはリアルタイムで設定可能なゲイン係数である。これらのゲイン係数は、正、負、または零の大きさであり得るが、以下で論じるように、それによって乗物の動作モードに影響を及ぼす。ゲインＫ_１、Ｋ_２、Ｋ_３、およびＫ_４は、システムの物理的助変数、および重力のような他の効果に依存する。図４の単純化した制御アルゴリズムは、平衡ばかりでなく、本人の身体動作または他人もしくは物体との接触によって、表面上の参照点に対してシステムの質量中心が変化するような外乱の存在下で、参照点に対する近接も維持することができる。

Ｋ_３の大きさは、運送機が所与の位置に復帰しようとする程度を決定する。零でないＫ_３では、ｘ_０の効果は、ｘが測定される基準参照からの特定の偏位ｘ_０を生成することである。Ｋ_３が零のとき、運送機は所与の位置に復帰しようとするバイアスを有さない。その結果として、運送機に前方向の傾きが発生すれば、運送機は前方に移動し、それによって平衡を維持する。このような構成を以下でさらに論じる。

「傾き」という用語は、完全に剛性の部材の単一点上で平衡されるシステムに関してしばしば使用される。その場合に、この部材と下に横たわる表面との間の接触点（または線）は、零の理論幅を有する。しかも、その場合に、傾きとは、垂線（すなわち、地球の中心を通過する想像線）に対する、車輪の理論上の地面接触線を通るシステムの重心（ＣＧ）からの線の向きを表す数量を指すことができる。上で論じたように、実際の地面接触部材は完全には剛性と言えないことを認識する一方で、本明細書では、「傾き」という用語は、剛性の地面接触部材の理論許容限度という一般的な意味で使用される。「システム」という用語は、運送機が上を移動している表面に対して、地面接触要素の動きよって移動させられる全質量を指す。

本明細書および添付の特許請求の範囲で用いられる「安定性」とは、動作位置の機械的状態であって、システムが任意の点において、この動作位置から離れるように動揺しても、システムが自然にこの動作位置に対して復帰する状態を指す。

ゲインＫ_１、Ｋ_２、Ｋ_３、およびＫ_４は、システムの物理的助変数、および重力のような他の効果に依存する。図４の制御アルゴリズムは、本人の身体移動または他人もしくは物体との接触によって、表面上の参照点に対してシステムの質量中心が変化するような外乱の存在下で、平衡を維持する。

図４に例示されている一輪システムではなく、２つの車輪に適応するために、左側モータからの望ましいトルクおよび右側モータからの望ましいトルクは、図８を参照して以下に説明される一般的な様態で別々に決定可能である。さらには、左輪動作と右輪動作の両方を追跡すると、装置の望ましくない回転を防止し、かつ２つの駆動モータ間の性能のばらつき、または不均一な下に横たわる表面に対処するために調整を行うことが可能になる。

前進および後進に関して、静止状態のウィーリーに関連する勾配から前方または後方に傾くと、縦揺れ検出器（θを測定する）によって検出された勾配の変化を補正しようとして、モータが、前方向または後方向にウィーリーとして移動するように補助することになる。幾つかの実施形態では、ジョイスティックまたは力感知ハンド・リムのような手動インターフェイスを使用して、望ましい車輪速度または望ましい縦揺れに調整可能である。

モータ・トルクの調整手法によって、追加的な安定用車輪または支え（このような安定補助器具の装備が可能であるが）を必要としないで、前後安定性を実現できることが分かる。換言すれば、安定性は、地面に対する装置構成要素（この場合は装置全体を構成する）の動きによって動的に実現可能である。

図５は、図１に示したような装置で使用される制御組立体間の接続を示すブロック線図である。本装置は、例えば、バッテリ・スタック５０１によって電力供給を受けることができる。バス５０９が、様々な組立体（５０７ａおよび５０７ｂ）間を接続し（ここでは直列に実装されている）、かつそれらに電力を供給する。本装置の全体的なシステム制御は、中央マイクロコントローラ・ボード５０２によって行われる。システム制御の基盤を確立する中央マイクロコントローラ・ボード５０２に対する、ジョイスティックおよび縦揺れ検出器のような送信源に由来する入力は、図７に関連して以下で説明される運転者インターフェイス組立体５０３によって送信される。

車椅子の姿勢に関して使用される左右の車輪制御組立体（図５で特定されている）の一般的な構造が図６に示されている。モータ６０１は電力変換器６０２から三相電力を受け取る。ホール効果検出器６１２からの出力は、モータに対する電力の位相を制御するために電力変換器６０２に対して情報信号を供給する。モータ６０１の軸回転に関する情報信号またはモータ６０１によって動力を受ける機械的システムの位置の情報信号は、ポテンシオメータ６０４、タコメータ６１１、または増分符号器６１３の１つまたは複数によって供給可能である。（別法として、ホール効果検出器６１２自体を利用することもできる。）これらの信号は周辺マイクロコントローラ・ボード６０３に送信される。さらには、電力変換器６０２およびモータ６０１に関連する温度出力が、周辺マイクロコントローラ・ボード６０３に対して入力信号を供給する。そしてまた周辺マイクロコントローラ・ボード６０３は、バス５０９を介して中央マイクロコントローラ・ボード５０２に接続している。

図７は、図５の運転者インターフェイス組立体５０３の詳細を示すブロック線図である。周辺マイクロコンピュータ・ボード７０１が、ジョイスティック７０２および縦揺れ検出器７０３から入力を受け取る。縦揺れ検出器は、縦揺れおよび／または縦揺れ率に関する情報信号を送信する。他の入力７０４も周辺マイクロコントローラ・ボード７０１に対する入力として送信可能であることが望ましい。このような他の入力は、動作モード（米国特許第５７０１９６５号で説明されているクラスタ輪式（cluster-wheeled）運送機の場合では、傾きモードまたは平衡モードのような）を決定するためのスイッチ（ノブおよびボタン）によってゲート制御される信号を含み得る。周辺マイクロコントローラ・ボード７０１は、バッテリ・スタック５０１からバッテリ電圧、バッテリ電流、およびバッテリ温度に関する信号を受け取るための入力端を有する。周辺マイクロコントローラ・ボード７０１は、バス５０９を通じて中央マイクロコントローラ・ボード５０２と接続している。

図８は、右輪モータおよび左輪モータのための制御配置（図１の要素１０７に対応する）を示す。この配置は、

（ワールド座標系に対する左輪線速度）および

（右輪線速度）の入力を有する。ゲインＫ_１、Ｋ_２、Ｋ_３、およびＫ_４の影響をそれぞれに受ける入力θ、

、および誤差信号ｘ（下で説明される）が、図４に関連して上で説明した一般的な様態で、車輪に対する基本的な平衡トルク・コマンドを生成する加算器８１９に対する入力となる。加算器８１９の出力は、加算器８２０中の偏揺れＰＩＤループ８１６（下で説明される）の出力と組み合わされ、次いで除算器８２２によって除算され、さらに飽和制限器８２４で制限されて、左輪トルク・コマンドを生成する。同様に、加算器８１９の出力は、加算器８２１中のＰＩＤループ８１６の出力と組み合わされ、次いで除算器８２３によって除算され、さらに飽和制限器８２５で制限されて、右輪トルク・コマンドを生成する。

加算器８１７および除算器８１８によって求められた、補正線速度入力信号

および

の平均は、線速度誤差信号

を生成する。変位誤差信号ｘは、積分器８１０および８０９において、

および

を積分することによって導き出され、飽和制限器８１２および８１１でその結果を制限し、次いで、それらの出力を加算器８１３および除算器８１５によって平均する。加算器８１４によって求められたこれらの変位間の差は、偏揺れ誤差信号Ψを生成する。

この偏揺れ誤差信号Ψは、標準的な比例＋積分＋微分（ＰＩＤ）制御ループ８１６によって実行され、その出力は加算器８１９の基本平衡トルク・コマンドの出力と組み合わされて、車輪に前後安定性を維持させるばかりでなく車椅子に前進方向も維持させる、個々の車輪のトルク・コマンドを生成する。

コントローラは、縦揺れ検出器からの車椅子の勾配または勾配変化率の入力、および車輪回転検出器からの車輪回転の入力を受け取り、手動式被動輪の制動を変更するコマンドを送信する。その結果、車椅子は、２つの車輪上で平衡を維持するように加速または減速する。

図８は制御アルゴリズムを概略的に示すが、これらのアルゴリズムは、アナログ制御アルゴリズムの使用またはマイクロプロセッサによってプログラムされたディジタル制御の使用を含めて幾つかの実施形態で実施可能であり、両方とも完全に本発明の範囲内である。

このように本発明の様々な例示的な実施形態、その利点および随意選択的な特徴の幾つかを説明してきたが、このような実施形態は例示としてのみ提供されており、限定として提供されているものではないことは明らかであろう。当業者ならば、これらの実施形態に対してばかりでなく追加的な実施形態に対する変更および改良も、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく容易に考案し得るものである。このような修正のすべては、特許請求されている本発明の範囲内である。

本発明の以上の特徴は、添付の図面を参照して行われる以下の詳細な説明を参照することによってさらに容易に理解されよう。
図１は、本発明の簡略化された実施形態を示す正面図である。 図２は、本発明の簡略化された実施形態を示す側面図である。 ロック線図である。 図４は、車輪トルクを使用して平衡動作を実現するための、図１の簡略型に関する制御方式を示す図である。 図５は、図１の実施形態で使用される制御組立体間の接続を示すブロック線図である。 図６は、図５の実施形態で使用される種類の一般的な制御組立体の構造を示すブロック線図である。 図７は、図５の実施形態で使用される種類の運転者インターフェイス組立体５０３の詳細説明を示すブロック線図である。 図８は、図１の実施形態の平衡および通常移動時の車輪モータ制御装置を示す回路図である。

Claims (11)

1. 使用者によって推進される車椅子であって、
   前記車椅子は、
   ａ．前記使用者を支持する座席と、
   ｂ．前記座席を下に横たわる表面に対して推進させるための少なくとも左車輪および右車輪であって、前記左車輪および前記右車輪は、前記座席に結合されており、前記下に横たわる表面と接触する、少なくとも左車輪および右車輪と、
   ｃ．前記左車輪および前記右車輪に結合された動力伝達機構であって、前記使用者が前記左車輪および前記右車輪にトルクを加えることを可能にする動力伝達機構と、
   ｄ．前記車椅子に取り付けられた縦揺れ検出器であって、前記車椅子の縦揺れ変数を感知する縦揺れ検出器と、
   ｅ．前記左車輪および前記右車輪に結合されたモータであって、前記使用者によって供給されるトルクに加えて、前記左車輪および前記右車輪のうちの少なくとも１つにトルクを供給するモータと、
   ｆ．前記車椅子の非ゼロ縦揺れ変数を補償して前記車椅子の動的安定性を維持するように少なくとも前記縦揺れ変数に基づいて前記左車輪および前記右車輪にトルクを供給するように前記モータに命令を出すコントローラであって、前記非ゼロ縦揺れ変数は、前記使用者が加えたトルクにより生じる、コントローラと
   を備える、車椅子。
2. 前記縦揺れ検出器は傾斜計を含む、請求項１に記載の車椅子。
3. 前記縦揺れ検出器はジャイロスコープを含む、請求項１に記載の車椅子。
4. 前記モータはブレーキを含む、請求項１に記載の車椅子。
5. 前記車椅子は、前記下に横たわる表面に対する前記左車輪の速度を感知する回転センサと、前記下に横たわる表面に対する前記右車輪の速度を感知する回転センサとをさらに備える、請求項１に記載の車椅子。
6. 車椅子を推進する方法であって、
   前記車椅子は、
   使用者を支持する座席であって、前記座席は、下に横たわる表面に対して前記座席を推進させるための左車輪および右車輪に結合されており、前記左車輪および前記右車輪の各々は、前記下に横たわる表面と接触している、座席と、
   前記左車輪および前記右車輪に結合された動力伝達機構であって、前記使用者が前記左車輪および前記右車輪にトルクを加えることを可能にする動力伝達機構と、
   前記車椅子に取り付けられた縦揺れ検出器と、
   前記左車輪および前記右車輪に結合されたモータであって、前記使用者によって供給されるトルクに加えて、前記左車輪および前記右車輪のうちの少なくとも１つにトルクを供給するモータと
   を有し、
   前記方法は、
   ａ．重力に対する前後平面における前記車椅子の縦揺れ変数を感知することと、
   ｂ．前記車椅子の非ゼロ縦揺れ変数を補償して前記車椅子の動的安定性を維持するように少なくとも前記車椅子の前記縦揺れ変数に基づいて前記モータを介して前記左車輪および前記右車輪にトルクを供給することであって、前記非ゼロ縦揺れ変数は、前記使用者が加えたトルクにより生じる、ことと
   を含む、方法。
7. 前記縦揺れ変数を感知するステップは、前記重力に対する前後平面における前記車椅子の縦揺れを測定することを含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記縦揺れ変数を感知するステップは、前記重力に対する前後平面における前記車椅子の縦揺れの時間変化率を測定することを含む、請求項６に記載の方法。
9. 前記左車輪および前記右車輪にトルクを供給することは、通常の移動条件下ではゼロの縦揺れを生じない、請求項６に記載の方法。
10. 前記左車輪および右車輪にトルクを供給するステップは、前記使用者によって供給される制動トルクに加えて、前記左車輪および前記右車輪に制動トルクを供給することを含む、請求項６に記載の方法。
11. 車椅子を推進する方法であって、
    前記車椅子は、
    使用者を支持する座席と、
    前記座席を下に横たわる表面に対して推進させるための左車輪および右車輪であって、前記左車輪および前記右車輪は、前記座席に結合されており、前記下に横たわる表面と接触する、左車輪および右車輪と、
    前記左車輪および前記右車輪に結合された動力伝達機構であって、前記使用者が前記左車輪および前記右車輪にトルクを加えることを可能にする動力伝達機構と、
    前記車椅子に取り付けられた縦揺れ検出器と、
    前記左車輪の回転および前記右車輪の回転を感知する回転センサと、
    前記左車輪および前記右車輪に結合されたモータであって、前記使用者によって供給されるトルクに加えて、前記左車輪および前記右車輪のうちの少なくとも１つにトルクを供給するモータと
    を有し、
    前記方法は、
    ａ．重力に対する前後平面における前記車椅子の縦揺れ変数を感知することと、
    ｂ．それぞれの車輪の回転速度を感知することと、
    ｃ．前記車椅子の非ゼロ縦揺れ変数を補償して前記車椅子の動的安定性を維持するように少なくとも前記車椅子の前記縦揺れ変数と前記車輪の回転速度とに基づいて前記モータを介して前記左車輪および前記右車輪にトルクを供給することであって、前記非ゼロ縦揺れ変数は、前記使用者が加えたトルクにより生じる、ことと
    を含む、方法。

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