JP5073838B2 - 補助動力付き車両 - Google Patents

Description

本発明は、補助動力として、車輪を駆動して走行することが可能な補助動力付き車両に関する。

従来から、人力による車輪の駆動と、人力を補助する補助動力による車輪の駆動とを併用して走行することができる補助動力付き車両が様々提案されている。

例えば、特許文献１に開示された補助動力付き台車（電動アシスト台車）３０がある。図７に示すように、補助動力付き台車３０は、その後部にハンドル３１が設けられている。ハンドル３１は、その下端部にてピン３２により回動自在に支持されると共に、前後両側からバネ部材３３により挟持されている。したがって、ハンドル３１は、補助動力付き台車３０の前後方向に揺動可能である。補助動力付き台車３０の使用者がハンドルに加えた人力によってハンドル３１が傾くと、その傾きは、ピン３２より少し上方に設けられたポテンショメータ３４によって検出される。そして、このポテンショメータ３４により検出された人力に応じた補助動力（アシスト力）が算出され、車輪３５に連結された電動モータを前記補助動力で駆動することにより、人力と補助動力を併用した車輪の駆動が可能となっている。

特開平１０−１０９６４７号公報

しかしながら、従来の補助動力付き台車では、例えば、使用者が大きな荷物等を乗せて操作している場合等において、過大な補助動力が発生する可能性がある。例えば、台車に積んだ荷物によって視界が遮られている場合等に、使用者が認識できない段差や障害物等が原因で、車輪がそれ以上前進できない場合がある。このような場合には、使用者は、その補助動力付き台車を動かそうとして、大きな操作力（人力）を加えてしまうことが多い。その結果、補助動力付き台車は過大な補助動力を発生させる可能性がある。この場合には、補助動力付き台車の動作が不安定になる。最悪の場合には、補助動力付き台車が暴走し、転倒してしまう可能性がある。

本発明の目的は、大きな操作力を加えても補助動力付き車両が動かない場合においても、過大な動力が発生することなく、安全に動作することが可能な補助動力付き車両を提供することである。

本発明の一局面に従う補助動力付き車両は、動力伝達の断接が可能なクラッチを介して内部の動力源からの補助動力を車輪に伝達する車輪駆動部と、前記クラッチの入力軸の回転角度を検出する入力回転角度検出部と、前記クラッチの出力軸の回転角度を検出する出力回転角度検出部と、前記入力回転角度検出部で検出された前記クラッチの入力軸の回転角度と、前記出力回転角度検出部で検出された前記クラッチの出力軸の回転角度との相対角度差を算出すると共に、この相対角度差を所定の周期でゼロクリアし、この周期毎の前記相対角度差に基づいて前記補助動力を算出する補助動力算出部と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、使用者が大きな操作力を加えても、過大な動力が発生することなく安全に動作することが可能な補助動力付き車両およびその制御方法を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る補助動力付き台車の斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る補助動力付き台車を図１のＡの方向から見た図である。 本発明の実施の形態１に係る補助動力付き台車のシステム構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る補助動力付き台車の動作制御のフローチャートである。 面積ＳＳの導出方法を説明するための図である。 本発明のその他の実施の形態に係る介助用電動車椅子の側面図である。 従来の補助動力付き台車の側面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を例示的に説明したものであり、当業者が想到できる範囲において適宜変更可能である。本発明は、以下に記載する実施の形態に限定されるものではない。また、以下の説明において、同じ構成には同じ符号を付して説明を省略することもある。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における補助動力付き台車の斜視図である。図２は、本実施の形態１における補助動力付き台車を図１のＡの方向から見た図である。図３は、本実施の形態１における補助動力付き台車のシステム構成を示すブロック図である。なお、理解を容易にするために、補助動力付き台車（補助動力付き車両）１に固定され、補助動力付き台車１と共に動く台車座標系Σｒ（互いに直交する三つのＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を有する座標系）を、図１に示すように設定している。台車座標系ΣｒのＸ軸とＹ軸によって構成される平面は、補助動力付き台車１が移動する移動面である地面（路面）に対して平行な水平面とする。また、Ｘ軸は、補助動力付き台車１の前方を向いているものとする。

補助動力付き台車１の運動は、台車座標系Σｒにおいて定義されるものとする。これらの図において、補助動力付き台車１は、物品（図示略）を載置して運搬する台車部２と、台車部２に走行力を付加するための車輪部３と、車輪部３を駆動するための車輪駆動部４と、を備えている。ここで、台車部２は、矩形形状の載置台１０と、載置台１０の下面に配置された台車支持部１１と、使用者が把持可能なハンドル１２とを備えている。使用者は、台車１を押す際に、ハンドル１２に人力を加える。

載置台１０には、載置された物品の重量を測定する重量測定部１０ａ（図３参照）と、走行する路面の傾斜角度を検出する傾斜角検出部１０ｂ（図３参照）と、が備えられている。重量測定部１０ａとしては、圧力センサなどのデバイスを用いることができる。また、傾斜角検出部１０ｂとしては、傾斜による液面変化を静電容量の変化として捉える静電容量式傾斜角センサを用いることができる。

台車支持部１１は、台車部２を安定的に支持するものであり、加えられた力に基づき、全方向に移動可能な受動的な車輪を有する。本実施の形態１では、台車支持部１１として、全方向に移動可能な受動的な車輪であるキャスタが用いられている。４つのキャスタ（台車支持部１１）は、載置台１０の下面の四隅に配置されている。そして、本実施の形態１においては、これら４つのキャスタの位置を各頂点とする矩形の中心に台車座標系Σｒの原点が設定されている。

ハンドル１２は、パイプ状の部材により門型に構成されると共に、載置台１０の後部領域に配置されている。ハンドル１２の中央部には、使用者が把持しているか否かを判断することが可能な把持判断部１２ａが備えられている。把持判断部１２ａとしては、人（使用者）が触れることによる静電容量の変化を検出する静電容量式タッチセンサを用いることができる。

車輪部３は、独立に駆動可能な２つの車輪１３ａ、１３ｂを備えている。車輪１３ａ，１３ｂは、載置台１０の下面の中央両端部に、Ｘ軸方向に向くように、すなわち回転軸がＹ軸と垂直となるように配置されている。車輪１３ａ、１３ｂとしては、中空タイヤなどが利用できる。車輪１３ａ，１３ｂには、車輪の回転角度を検出するための出力回転角度検出部１４ａ、１４ｂがそれぞれ取り付けられている。出力回転角度検出部１４ａ、１４ｂとしては、エンコーダなどのデバイスを用いることができる。

車輪駆動部４は、車輪１３ａ、１３ｂに動力を付加するための動力源としての電動モータ１５ａ、１５ｂと、電動モータ１５ａ、１５ｂを駆動制御するためのサーボドライバ１６ａ、１６ｂと、電動モータ１５ａ、１５ｂの駆動軸の回転角度を検出するための入力回転角度検出部１７ａ、１７ｂと、電動モータ１５ａ、１５ｂの動力を車輪１３ａ、１３ｂに伝達するため又はその伝達を遮断するためのクラッチ１８ａ、１８ｂと、を備えている。クラッチ１８ａ，１８ｂの入力軸は、電動モータ１５ａ，１５ｂに接続されており、クラッチ１８ａ，１８ｂの出力軸は、車輪１３ａ，１３ｂに接続されている。

本実施の形態１では、クラッチ１８ａ、１８ｂとして、双方向に動力の伝達／遮断が可能なツーウェイクラッチ（双方向クラッチ）を備えている。ここで、ツーウェイクラッチとは、電動モータ１５ａ，１５ｂの動力を車輪１３ａ、１３ｂに伝達できるものである。それに加えて、電動モータ１５ａ，１５ｂが停止している場合、あるいは電動モータ１５ａ、１５ｂが駆動されていても、駆動軸の回転方向に電動モータ１５ａ、１５ｂよりも速い回転速度で車輪１３ａ、１３ｂが回転している場合には、入力軸と出力軸との間が遮断されるクラッチである。この動作は、電動モータ１５ａ、１５ｂの駆動軸が正逆何れの方向の回転する場合においても行われるものである。このツーウェイクラッチは、入力軸（電動モータ１５ａ、１５ｂ）を回転させると、それによって出力軸（車輪１３ａ、１３ｂ）も回転するものである。それに加えて、このツーウェイクラッチは、遮断状態で出力軸側を回転させると、出力軸自身はフリー回転し、入力軸へは動力を伝達しないという特徴を有するものを指す。このようなツーウェイクラッチを用いることにより、補助動力付き台車１の前後動作や回転動作に対して人力（使用者が加えた力）の補助が可能となる。

入力回転角度検出部１７ａ、１７ｂとしては、エンコーダなどのデバイスを用いることができる。また、補助動力付き台車１は、車輪１３ａ，１３ｂの速度を算出する車輪速度算出部２５ａ，２５ｂと、自身の移動速度及び移動加速度を算出する移動速度及び加速度算出部２６と、電動モータ１５ａ，１５ｂの目標回転角度を算出するモータ目標角度算出部２７ａ，２７ｂと、電動モータ１５ａ，１５ｂの速度を算出するモータ速度算出部２８ａ，２８ｂと、を備えている。本実施の形態１においては、移動速度検出部は、出力回転角度検出部１４ａ、１４ｂの出力信号を差分して得られる信号に対し、後述するヤコビ行列を用いて移動速度を算出する。移動加速度検出部は、移動速度検出部によって算出された移動速度を差分して移動加速度を算出する。移動速度及び加速度算出部２６は、移動速度検出部と移動加速度検出部とを別個に構成したものであってもよい。また、移動速度及び加速度算出部２６として、補助動力付き台車１に、自身の移動加速度を検出することができる加速度センサなどのデバイスを搭載してもよい。この場合、移動速度及び加速度算出部２６は、その出力信号により移動加速度を算出し、その積分値により移動速度を算出してもよい。また、台車１は、移動速度及び加速度算出部２６として、車輪１３ａ、１３ｂの回転角速度を検出することができるタコジェネレータ（ｔａｃｈｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ）のようなデバイスを搭載してもよい。この場合、移動速度及び移動加速度算出部２６は、その出力信号に対して後述するヤコビ行列を用いて移動速度を算出し、その信号の差分から移動加速度を算出してもよい。

図３に示すように、補助動力付き台車１は、使用者から付加された力に基づいて車輪部３が発生すべき補助動力を算出するための補助動力算出部２０ａ、２０ｂと、算出された補助動力を補助動力付き台車１全体の補助動力に変換する補助動力変換部２１と、算出された全体の補助動力に応じたインピーダンス制御を行うインピーダンス制御部２２と、インピーダンス制御部２２によって算出された補助動力付き台車１全体の目標速度を車輪部３の目標速度に変換してサーボドライバ１６ａ、１６ｂに対して指令を行う車輪制御部２３と、を備えている。

補助動力算出部２０ａ、２０ｂは、車輪１３ａ、１３ｂの回転角度と、電動モータ１５ａ、１５ｂの回転角度と、電動モータ１５ａ、１５ｂの目標回転角度とを入力情報として、車輪１３ａ、１３ｂが発生すべき補助動力を算出する。算出された補助動力は補助動力変換部２１に入力される。補助動力変換部２１は、算出された補助動力を入力情報として、補助動力付き台車１全体の補助動力を算出する。算出された台車１全体の補助動力は、インピーダンス制御部２２に入力される。インピーダンス制御部２２では、算出された台車１全体の補助動力を入力情報として、設定されたインピーダンス特性を満たす目標速度情報を算出する。算出された目標速度情報は、車輪制御部２３に入力される。車輪制御部２３では、補助動力付き台車１全体の目標速度を入力情報として、車輪１３ａ、１３ｂの目標速度を算出し、サーボドライバ１６ａ、１６ｂに指令を行う。このとき、サーボドライバ１６ａ、１６ｂは速度制御されているため、車輪１３ａ、１３ｂが、その目標速度に追従するように、電動モータ１５ａ、１５ｂが駆動される。このような構成により、使用者が加えた人力に基づく補助動力に従い電動モータ１５ａ、１５ｂを駆動させることができる。なお、本実施の形態１では、補助動力変換部２１と、インピーダンス制御部２２と、車輪制御部２３とは、車輪駆動部４に含まれるものとする。なお、図３において、補助動力算出部２０ａに繋がっている上側の傾斜角検出部１０ｂと、補助動力算出部２０ｂに繋がっている下側の傾斜角検出部１０ｂとは、同じものであるが、図３において便宜上二箇所に描いている。重量測定部１０ａ、把持判断部１２ａ、モードスイッチ２９も同様である。

次に、図４に示すフローチャートを用いて、本実施の形態１における具体的な制御フローについて説明する。なお、理解を容易にするため、以下では、車輪１３ａ、１３ｂの補助動力の算出は同時に行うものとして説明するが、図４のフローチャートでは、車輪１３ａ、１３ｂの補助動力の算出は順に行うようにループ表現している（ステップＳ１００、Ｓ１０７）。

まず、出力回転角度検出部１４ａ、１４ｂにより検出された車輪１３ａ、１３ｂの回転角度θ_ｗａ、θ_ｗｂを下記のように設定し、また、入力回転角度検出部１７ａ、１７ｂにより検出された電動モータ１５ａ、１５ｂの回転角度θ_ｍａ、θ_ｍｂを下記のように設定する。

静止している補助動力付き台車１に使用者がハンドル１２に力を加え、台車座標系ΣｒのＸ軸正方向に補助動力付き台車１を動かす場合を考える。この場合には、付加された力に応じて左右２つの車輪１３ａ、１３ｂにトルクが加わり、車輪１３ａ，１３ｂは回転する。その結果、車輪１３ａ、１３ｂの回転角度θ_ｗａ、θ_ｗｂと電動モータ１５ａ、１５ｂの回転角度θ_ｍａ、θ_ｍｂとの間に相対的な回転角度差が生じる。このとき、補助動力算出部２０ａ、２０ｂは、車輪回転角度θ_ｗａ、θ_ｗｂと電動モータ１５ａ，１５ｂの回転角度θ_ｍａ、θ_ｍｂに発生する相対的な回転角度差に基づき、下記（式１）、（式２）に示す数式を用いて、補助動力τ_ｍａ、τ_ｍｂを算出する。すなわち、補助動力算出部２０ａ、２０ｂは、回転角度差に係数を乗じた値を補助動力として算出する。

ただし、Ｋ_ａ、Ｋ_ｂは正転ゲイン定数である。上記（式１）、（式２）は、加えられた人力により発生したクラッチ１８ａ、１８ｂの入力軸と出力軸の相対的な回転角度差から、人力に応じた補助動力を算出しようとするものである。

まず、以上の関係を用いて、車輪１３ａ、１３ｂと電動モータ１５ａ、１５ｂの回転角度に相対的な回転角度差（以下、相対角度差と呼ぶ。）があるか否かを判断する（ステップＳ１０１）。

ステップＳ１０１で相対角度差があると判断された場合（ステップＳ１０１でＹＥＳの場合）は、この相対角度差を所定の周期でクリア（ゼロにリセット）する（ステップＳ１０２）。

これは、車輪１３ａ、１３ｂと電動モータ１５ａ、１５ｂとがクラッチ１８ａ、１８ｂを介して接続されているため、一旦クラッチ前後の相対的な回転角度差が発生すると、互いに反対方向になるように回転しない限り、相対的角度差が減少することがないので、その対策を行なうためである。なお、相対角度差が減少しないため、上記（式１）、（式２）から算出した補助動力は、使用者が台車１を押していない状況になっても発生し続けている。これについて、図５を用いて説明する。図５は、相対角度差の推移を示す曲線を模式的に示すものであり、縦軸を相対角度差とし、横軸を時間軸としている。ここで、図５の面積ＳＳは、ゼロクリアされてから次にゼロクリアされるまでの期間内における（周期ごとの）相対角度差の推移を示す推移曲線と、相対角度差がゼロで推移した場合の相対角度差の推移を示す推移直線とに囲まれた面積を表す。言い換えると、図５の面積ＳＳは、前記所定の周期で区分された１周期分の相対的な回転角度差の積分値となる。本実施の形態１においては、この面積ＳＳを周期で割った値から相対角度差の平均値を算出し、この平均値を用いて上記（式１）、（式２）から補助動力τ_ｍａ、τ_ｍｂを算出する。図５から、相対角度差が減少しなければ、それに基づいて算出される補助動力τも発生し続けることが分かる。上述のようにして補助動力を算出することにより、人力に基づく滑らかな補助動力を算出することができる。したがって、この補助動力付き台車１では、使用者にとって、より負担の少ないアシスト動作を実現することができる。

このとき、補助動力算出部２０ａ，２０ｂは、走行条件に応じて、相対角度差をクリアする周期を変える。具体的には、補助動力付き台車１が停止した状態から動き出そうとした場合は、補助動力算出部２０ａ，２０ｂは、相対角度差をクリアする周期を大きくする。周期を大きくするには、例えばメモリに記憶された基準周期に対して所定の係数を乗じることによって行うことができる。これにより、周期ごとに算出される面積ＳＳが大きくなり、その平均値から算出される補助動力の大きさを大きくすることができる。このため、使用者にとって、より負担の少ないアシスト動作を実現することができる。この制御が行われる場合としては、例えば、補助動力付き台車１の移動速度が正で、かつ、移動加速度が正の場合、あるいは、移動速度が負で、かつ、移動加速度が負の場合などが考えられる。また、補助動力付き台車１を減速させて停止しようとする場合は、補助動力算出部２０ａ，２０ｂは、相対角度差をクリアする周期を小さくする。これにより、周期ごとに算出される面積ＳＳが小さくなり、その平均値から算出される補助動力の大きさを小さくすることができる。このため、使用者にとって、より安全なアシスト動作を実現することができる。この制御が行われる場合としては、例えば、補助動力付き台車１の移動速度が正で、かつ、移動加速度が負の場合、あるいは、移動速度が負で、かつ、移動加速度が正の場合などが考えられる。

なお、重量測定部１０ａにより測定した物品の重量や傾斜角検出部１０ｂにより検出した傾斜角に応じて、相対角度差をクリアする周期を変えてもよい。具体的には、重量測定部１０ａにより測定した物品の重量が重い場合、補助動力算出部２０ａ，２０ｂは、相対角度差をクリアする周期を大きくする。これにより、同じ相対角度差であっても、算出される補助動力の大きさを大きくすることができる。このため、使用者にとって、より負担の少ないアシスト動作を実現することができる。逆に、重量測定部１０ａにより測定した物品の重量が軽い場合には、補助動力算出部２０ａ，２０ｂは、相対角度差をクリアする周期を小さくする。これにより、周期ごとに算出される面積ＳＳが小さくなり、その平均値から算出される補助動力の大きさを小さくすることができる。このため、使用者にとって、より安全なアシスト動作を実現することができる。

同様に、登り坂において、傾斜角検出部１０ｂにより検出した傾斜角が大きい場合には、補助動力算出部２０ａ，２０ｂは、相対角度差をクリアする周期を大きくするようにしてもよい。これにより、周期ごとに算出される面積ＳＳが大きくなり、その平均値から算出される補助動力の大きさを大きくすることができる。このため、使用者にとって、より負担の少ないアシスト動作を実現することができる。逆に、傾斜角検出部１０ｂにより検出した傾斜角が小さい場合、あるいは下り坂の場合、補助動力算出部２０ａ，２０ｂは、相対角度差をクリアする周期を小さくするようにしてもよい。これにより、周期ごとに算出される面積ＳＳが小さくなり、その平均値から算出される補助動力の大きさを小さくすることができるため、使用者にとって、より安全なアシスト動作を実現することができる。

また、補助動力付き台車１は、複数の動作モード（位置決めモードや長距離移動モードなど）を有する場合には、その動作モードに応じて、相対角度差をクリア（ゼロにリセット）する周期を変えてもよい。この場合は、使用者はモードスイッチ２９によって動作モードを選択することによって、その状況に適したアシスト動作を選択することができる。位置決めモードは、目標位置に台車１を位置合わせするような場合に選択されるモードである。この動作モードでは、周期を基準周期よりも小さくすることにより補助動力を低減する。これにより、補助動力付き台車１を使用者の操作に忠実に動かすことができるようになるため、目標位置に位置決めし易くできる。一方、長距離移動モードは、補助動力付き台車１を等速度で移動させるような場合に選択されるモードである。この動作モードでは、周期を基準周期よりも大きくすることにより補助動力を増大させる。これにより、補助動力付き台車１の移動時の使用者の負担を低減することができる。

なお、相対角度差をクリアする周期を変更するステップは、図４におけるステップＳ１０３である。

ここで、電動モータ１５ａ、１５ｂが回転している方向と反対方向に車輪１３ａ、１３ｂが回転するように、台車１に人力が加えられた場合を考える。このとき、クラッチ１８ａ、１８ｂの入力軸が回転しているため、ツーウェイクラッチの特性（入力軸を回転させると、出力軸も回転するという特性）により、クラッチ１８ａ、１８ｂの出力軸は、入力軸の回転方向と反対方向にはフリーで回転できない。そのため、車輪１３ａ、１３ｂの回転角度θ_ｗａ、θ_ｗｂと電動モータ１５ａ、１５ｂの回転角度θ_ｍａ、θ_ｍｂに相対角度差を発生させることができず、上記（式１）、（式２）により、人力に応じた補助動力を算出することができない。そこで、本実施の形態１では、電動モータ１５ａ、１５ｂが回転している方向と反対方向に車輪１３ａ、１３ｂが回転するように人力が加えられた場合においても、人力に応じた補助動力を算出することができるように、上記（式１）、（式２）を下記（式３）、（式４）のように変形している。

ただし、上記（式３）、（式４）で定義されるＫ_ａ ^ｒ、Ｋ_ｂ ^ｒは反転ゲイン定数である。また、θ_ｍａ ^ｄ、θ_ｍｂ ^ｄは電動モータ１５ａ、１５ｂの目標回転角度である。上記（式３）及び（式４）から分かるように、補助動力算出部２０ａ，２０ｂは、クラッチ１８ａ，１８ｂの入力軸に対するクラッチ１８ａ，１８ｂの出力軸の相対回転角度差と、電動モータ１５ａ，１５ｂの目標回転角度に対するモータ１５ａ，１５ｂの回転角度の実測値の偏差とに基づいて、補助動力を算出する。

Ｋ_ａ、Ｋ_ｂ、Ｋ_ａ ^ｒ、Ｋ_ｂ ^ｒは、補助動力付き台車１の走行条件などに応じて大きさを変えることができる係数であり、この値を変えることにより、算出される補助動力の大きさを調節することができる。具体的には、把持判断部１２ａにて、使用者が補助動力付き台車１のハンドル１２を把持しているかどうかを判断し、ハンドル１２を把持していない場合は、補助動力算出部２０ａ，２０ｂは、Ｋ_ａ、Ｋ_ｂ、Ｋ_ａ ^ｒ、Ｋ_ｂ ^ｒをゼロに設定する。これにより、使用者がハンドル１２を把持していない場合には、補助動力が常にゼロとして算出される。このため、誤ったアシスト動作を防止することができる。一方、使用者がハンドル１２を把持している場合は、補助動力算出部２０ａ，２０ｂは、次に示すように、Ｋ_ａ、Ｋ_ｂ、Ｋ_ａ ^ｒ、Ｋ_ｂ ^ｒを決定する。例えば、重量測定部１０ａにより測定された台車部２上の物品の重量が重い場合には、補助動力算出部２０ａ，２０ｂは、Ｋ_ａ、Ｋ_ｂ、Ｋ_ａ ^ｒ、Ｋ_ｂ ^ｒを比較的大きくする。これにより、人力に応じて発生した車輪１３ａ、１３ｂと電動モータ１５ａ、１５ｂとの相対角度差、あるいは、クラッチ１８ａ、１８ｂの入力軸の目標回転角度と実際の回転角度との差がたとえ小さい場合であっても、比較的大きな補助動力を算出することができる。このため、使用者は楽に補助動力付き車両を押すことができる。逆に、重量測定部１０ａにより台車部２上の測定された物品の重量が軽い場合には、補助動力算出部２０ａ，２０ｂは、Ｋ_ａ、Ｋ_ｂ、Ｋ_ａ ^ｒ、Ｋ_ｂ ^ｒを比較的小さくする。これにより、人力に応じて発生した車輪１３ａ、１３ｂと電動モータ１５ａ、１５ｂとの相対角度差、あるいは、クラッチ１８ａ、１８ｂの入力軸の目標回転角度と実際の回転角度の差がたとえ大きい場合であっても、比較的小さい補助動力を算出することができる。このため、過大な補助動力の発生を防止することができ、安全なアシスト動作を実現することができる。上記のように係数の値を変えるようにするには、例えば、Ｋ_ａ、Ｋ_ｂ、Ｋ_ａ ^ｒ、Ｋ_ｂ ^ｒを、重力測定部１０ａによって測定された重量に応じた値に設定されるようにすればよい。

同様に、登り坂において、傾斜角検出部１０ｂにより検出された傾斜角が大きい場合には、補助動力算出部２０ａ，２０ｂは、Ｋ_ａ、Ｋ_ｂ、Ｋ_ａ ^ｒ、Ｋ_ｂ ^ｒを比較的大きくする。これにより、人力に応じて発生した車輪１３ａ、１３ｂと電動モータ１５ａ、１５ｂの相対的な回転角度差が例え小さい場合であっても、比較的大きな補助動力を算出することができるため、使用者は楽に補助動力付き車両を押すことができる。逆に、傾斜角検出部１０ｂにより検出した傾斜角が小さい場合、あるいは下り坂の場合には、補助動力算出部２０ａ，２０ｂは、Ｋ_ａ、Ｋ_ｂ、Ｋ_ａ ^ｒ、Ｋ_ｂ ^ｒを比較的小さくする。これにより、人力に応じて発生した車輪１３ａ、１３ｂと電動モータ１５ａ、１５ｂの相対的な回転角度差が例え大きな場合であっても、比較的小さい補助動力を算出することができるため、過大な補助動力の発生を防止することができ、安全なアシスト動作を実現することができる（ステップＳ１０３、Ｓ１０４）。上記のように係数の値を変えるようにするには、例えば、Ｋ_ａ、Ｋ_ｂ、Ｋ_ａ ^ｒ、Ｋ_ｂ ^ｒを、傾斜角検出部１０ｂによって検出された傾斜角に応じた値に設定されるようにすればよい。

上記(式３)、(式４)の右辺第２項は、電動モータ１５ａ、１５ｂの目標回転角度θ_ｍａ ^ｄ、θ_ｍｂ ^ｄと実際の回転角度θ_ｍａ、θ_ｍｂとの相対的な回転角度差から、電動モータ１５ａ、１５ｂが補助している方向と反対方向に加えられた人力に応じた補助動力を算出しようとするものである。電動モータ１５ａが回転している方向と同方向に車輪１３ａが回転するように人力が加えられた場合には、ツーウェイクラッチ１８ａが遮断状態となることによって電動モータ１５ａに負荷がかからないため、電動モータ１５ａの目標回転角度θ_ｍａ ^ｄと実際の回転角度θ_ｍａとの角度差がなくなり、上記（式３）の右辺第２項がゼロとなる。このため、補助動力は、上記（式３）の右辺第１項により算出される。一方、電動モータ１５ａの回転方向と反対方向に車輪１３ａが回転するように人力が加えられた場合には、ツーウェイクラッチ１８ａが連結状態となることによって車輪１３ａの回転角度θ_ｗａと電動モータ１５ａの回転角度θ_ｍａとの角度差がなくなり、上記（式３）の右辺第１項がゼロとなる。このため、補助動力は上記（式３）の右辺第２項により算出される。同様に、電動モータ１５ｂが回転している方向と同方向に車輪１３ｂが回転するように人力が加えられた場合には、上記（式４）の右辺第１項により補助動力が算出され、モータ１５ｂと反対方向に車輪１３ｂが回転するように人力が加えられた場合には、上記（式４）の右辺第２項により補助動力が算出される。上記（式３）、（式４）において、それぞれの右辺第１項、第２項ともゼロの場合は、補助トルクはゼロと算出される（ステップＳ１０５、Ｓ１０６）。

次に、補助動力変換部２１において、上記（式３）、（式４）により算出した補助動力τ_ｍａ、τ_ｍｂから、下記（式８）で定義される補助動力付き台車１全体の補助動力Ｆ_ｍを算出する。ここで、補助動力付き台車１の速度Ｖと、車輪１３ａ、１３ｂの回転速度ｄθ／ｄｔとは、台車座標系ΣｒのＸ軸方向の速度ｖと、台車座標系ΣｒのＺ軸周りの回転速度ωとにより、下記のように定義される（ただし、Ｔは転置行列であることを示す記号である。）。

以上から、下記（式５）のような関係式が成り立つ。ただし、下記（式５）のＪはヤコビ行列（ヤコビアン）と呼ばれるものである。なお、Ｌ_ｗは車輪１３ａ、１３ｂの半径を表し、Ｌ_ｔは車輪１３ａ、１３ｂの間隔（トレッド）を表す。

ここで、補助動力付き台車１に加えられた力Ｆは、台車座標系ΣrのＸ軸方向に作用する力ｆと、台車座標系ΣrのＺ軸周りのモーメントｎとを用いて、以下のように定義される。

また、車輪１３ａに発生するトルクをτ_ａとし、車輪１３ｂに発生するトルクをτ_ｂとし、補助動力付き台車１に加えられた力Ｆに伴って車輪１３ａ、１３ｂに発生するトルクをτとすると、τは以下の通り表すことができる。

これらの間には下記（式６）に示すような関係が成り立つ。

τ＝Ｊ^ＴＦ ・・・（式６）
したがって、補助動力変換部２１は、上記（式６）を変形した下記（式７）を用いることにより、補助動力τ_ｍａ、τ_ｍｂから補助動力付き台車１全体の補助動力Ｆ_ｍを算出することができる（ステップＳ１０８）。

次に、インピーダンス制御部２２において、算出した全体の補助動力Ｆ_ｍに基づくインピーダンス制御を行う。ここで、インピーダンス制御に基づき生成される補助動力付き台車１の目標速度をｄｘｄ／ｄｔとし、目標加速度をｄ^２ｘｄ／ｄｔ^２とすると、ｄｘｄ／ｄｔとｄ^２ｘｄ／ｄｔ^２は以下のように定義される。ただし、Ｖ_ｄは台車座標系ΣｒのＸ軸方向の目標速度を表し、ω_ｄは台車座標系ΣｒのＺ軸周りの目標回転速度を表す。

インピーダンス制御部２２は、下記（式９）に示すような補助動力付き台車１の見かけの質量特性Ｍ_ｄと、下記（式１０）に示すような補助動力付き台車１の見かけの粘性特性Ｄ_ｄとから、下記（式１１）に示すように構成されるインピーダンス特性を有する。言い換えると、インピーダンス制御部２２には、インピーダンス特性を規定する（式１１）に示す関係式が記憶されている。

ここで、上記（式１１）は下記（式１２）のように変形できる。

ここで、インピーダンス制御部２２は、見かけの質量特性Ｍ_ｄと見かけの粘性特性Ｄ_ｄの大きさを、補助動力付き台車１の走行条件に応じて変えることができる。これにより、補助動力付き台車１のアシスト動作の特性を任意に変えることができる。すなわち、インピーダンス特性を変化させることにより、補助動力算出部２０ａ，２０ｂによって算出された補助動力を調整し、これにより補助動力付き台車１（車輪１３ａ，１３ｂ）が発生させる駆動力を変化させることができる。具体的には、把持判断部１２ａにて、使用者が補助動力付き台車１のハンドル１２を把持しているかどうかを判断し、把持していないと判断された場合は、インピーダンス制御部２２はＭ_ｄ、Ｄ_ｄを無限大に設定する。これにより、使用者がハンドル１２を把持していない場合には、ノイズ等の外乱が発生しても補助動力（アシスト動力）に基づく目標速度が発生され難いため、さらに安全性を高めることができる。一方、ハンドル１２が把持されている場合は、インピーダンス制御部２２は、次に示すように、Ｍ_ｄ、Ｄ_ｄを決定する。補助動力付き台車１が停止した状態から動き出そうとした場合には、インピーダンス制御部２２は、Ｍ_ｄ、Ｄ_ｄを比較的小さくする。これにより、小さい人力の作用（補助動力の発生）でも比較的大きなアシスト動作を得ることができる。これに該当する場合としては、補助動力付き台車１の移動速度が正であり、かつ、移動加速度が正の場合、あるいは、移動速度が負であり、かつ、移動加速度が負の場合などが想定される。また、補助動力付き台車１が減速停止しようとする場合には、インピーダンス制御部２２は、Ｍ_ｄ、Ｄ_ｄを比較的大きくする。これにより、ゆっくり減速停止させるアシスト動作を得ることができる。これに該当する場合としては、補助動力付き台車１の移動速度が正であり、かつ、移動加速度が負の場合、あるいは、移動速度が負であり、かつ、移動加速度が正の場合などが考えられる。また、動作している補助動力付き台車１を急停止させたい場合には、インピーダンス制御部２２は、Ｍ_ｄを小さくし、Ｄ_ｄを大きくする。これにより、早く減速するアシスト動作を得ることができる。これに該当する場合としては、使用者が握っているハンドル１２を放した場合などが想定される。また、補助動力付き台車１が、複数の動作モード（位置決めモードや長距離移動モードなど）を有しているので、その動作モードに応じて、Ｍ_ｄ、Ｄ_ｄの大きさを変えてもよい。この場合に使用者は、動作モードを選択することによって、その状況に適したアシスト動作を選択することができる（ステップＳ１０９）。つまり、インピーダンス制御部２２は、選択された動作モードに応じてインピーダンス特性を調整する。

このとき、上記（式７）により算出した全体の補助動力Ｆ_ｍを上記（式１２）に入力すると、上記（式１１）に示すインピーダンス特性を満たす目標速度ｄｘｄ／ｄｔが得られる（ステップＳ１１０）。

車輪制御部２３では、得られた補助動力付き台車１全体の目標速度ｄｘｄ／ｄｔを、上記（式７）を用いて、以下のようにて定義される車輪１３ａ、１３ｂの目標回転速度θ_ｗａ ^ｄ、θ_ｗｂ ^ｄに変換し、車輪駆動部４のサーボドライバ１６ａ，１６ｂに指令を行う（ステップＳ１１１）。

車輪駆動部４は、車輪１３ａ、１３ｂが目標回転速度θ_ｗａ ^ｄ、θ_ｗｂ ^ｄになるように電動モータ１５ａ、１５ｂの速度制御を行う（ステップＳ１１２）。これにより、電動モータ１５ａ，１５ｂの動力がクラッチ１８ａ、１８ｂを介して車輪１３ａ、１３ｂに伝えられ、車輪１３ａ，１３ｂが目標回転速度θ_ｗａ ^ｄ、θ_ｗｂ ^ｄで回転する（ステップＳ１１３）。このように、上記（式７）から得られた全体の補助動力Ｆ_ｍに応じたインピーダンス制御が実現される。以上のような構成により、加えられた人力に応じたアシスト動作の制御を実現することができる。

なお、本実施の形態１では、サーボドライバ１６ａ、１６ｂは速度制御されているものとしているが、これに代えて、サーボドライバ１６ａ、１６ｂが位置制御されていてもよい。この場合には、車輪制御部２３は、補助動力付き台車１全体の目標速度を入力情報として車輪１３ａ、１３ｂの目標速度を算出し、この目標速度をさらに積分することにより車輪１３ａ、１３ｂの目標角度を算出し、この目標角度に応じた信号をサーボドライバ１６ａ、１６ｂに入力するようにすればよい。

また、本実施の形態１では、補助動力算出部２０ａ、２０ｂによって算出した補助動力を、補助動力変換部２１とインピーダンス制御部２２と車輪制御部２３とを介して、位置制御あるいは速度制御されているサーボドライバ１６ａ、１６ｂに入力するようになっているが、これに代え、トルク制御（電流制御）されたサーボドライバ１６ａ、１６ｂに補助動力を直接入力してもよい。この場合には、補助動力の算出は上記（式３）、（式４）ではなく、下記（式１３）、（式１４）を用いて行われる。

ただし、τ_ｍａ ^ｄ、τ_ｍｂ ^ｄは、サーボドライバ１６ａ、１６ｂに対して１周期前に指令された補助動力である。またτ_ｍａ ^ｄ、τ_ｍｂ ^ｄは、電動モータ１５ａ、１５ｂが実際に出力したトルク（動力）である。この場合には、補助動力付き台車１は、電動モータあるいはサーボモータが実際に出力しているトルクを検出するための入力トルク検出部１９ａ，１９ｂ（図２参照）を備えていればよい。すなわち、電動モータ１５ａ、１５ｂの回転軸（クラッチの入力軸）が回転している方向と反対方向に車輪１３ａ、１３ｂが回転するように、台車１に人力が加えられた場合は、クラッチ１８ａ、１８ｂの入力軸に与えられる目標トルクと、実際にクラッチ１８ａ、１８ｂの入力軸に発生しているトルクとの差に基づいて補助動力を算出することになる。

また、本実施の形態１を実際の補助動力付き台車や介助用電動車椅子等に適用する場合は、従来から適用されている力センサ方式と適宜併用してもよい。例えば、平地では本実施の形態１による動力補助を行い、坂道では力センサにより検出した人力に基づく動力補助を行ってもよい。また、本発明の一実施形態としての介助用電動車椅子の場合において、被介護者（搭乗者）自ら車椅子を操作する構成の場合には、ハンドリム（車椅子の駆動輪の握り部）に搭載された力センサにより人力を検出し、その検出された人力に基づく動力補助を行うようにしてもよく、一方、図６に示すように、後方から介護者（介助者）が電動車椅子４１を押して動かす構成の場合には、シートバック４３ａの後部に設けられたハンドル１２に把持判断部１２ａが設けられるようにしてもよい。この電動車椅子４１では、車輪駆動部４等が配設される収納部４２がシート４３の下部に設けられている。

［実施の形態の概要］
前記実施形態をまとめると、以下の通りである。

(1) 前記実施形態は、動力伝達の断接が可能なクラッチを介して動力源からの補助動力を車輪に伝達する車輪駆動部と、前記クラッチの入力軸の回転角度を検出する入力回転角度検出部と、前記クラッチの出力軸の回転角度を検出する出力回転角度検出部と、前記入力回転角度検出部によって検出された前記クラッチの入力軸の回転角度と、前記出力回転角度検出部によって検出された前記クラッチの出力軸の回転角度との相対角度差を算出すると共に、この相対角度差を所定の周期でゼロクリアし、この周期毎の前記相対角度差に基づいて前記補助動力を算出する補助動力算出部と、を備えていることを特徴とする補助動力付き車両である。

したがって、使用者が大きな操作力を付加した場合でも補助動力が過大になることを回避することができ、車両に付加された人力に応じた滑らかな補助動力を得ることができる。

(2) 前記補助動力付き車両において、前記補助動力算出部は、前記相対角度差の時間推移を示す推移曲線と前記相対角度差がゼロを示す推移直線とに囲まれた前記周期毎の面積に基づいて前記補助動力を算出してもよい。

この態様では、前記周期毎の面積が一周期分の相対角度差の積分値に相当するため、上記面積に基づいて補助動力を算出することにより、周期毎の相対角度差に応じた補助動力を得ることができる。

(3) 前記補助動力付き車両において、前記補助動力付き車両の移動速度及び移動加速度を算出する移動速度及び加速度算出部をさらに備える場合には、前記補助動力算出部は、前記移動速度及び加速度算出部によって算出された前記補助動力付き車両の移動加速度および移動速度の少なくとも一方に応じて、前記相対角度差をクリアする周期を変えてもよい。

この態様では、補助動力が、補助動力付き車両の移動速度及び移動加速度の少なくとも一方に応じた値に調整されるので、使用者にとってより安全なアシスト動作を実現できるようになる。

(4) 前記補助動力付き車両において、前記補助動力付き車両に載置されたものの重量を測定する重量測定部をさらに備える場合には、前記補助動力算出部は、前記重量測定部によって検出された重量に応じて前記相対角度差をクリアする周期を変えてもよい。

この態様では、補助動力が、補助動力付き車両に載置されたものの重量に応じた値に調整されるので、使用者にとってより安全なアシスト動作を実現できるようになる。

(5) 前記補助動力付き車両において、移動面の傾斜角を検出する傾斜角検出部をさらに備える場合には、前記補助動力算出部は、前記傾斜角検出部によって検出された前記移動面の傾斜角に応じて、前記相対角度差をクリアする周期を変えてもよい。

この態様では、補助動力が、移動面の傾斜角度に応じた値に調整されるので、使用状況に応じたより安全なアシスト動作を実現できるようになる。

(6) 前記補助動力付き車両において、複数の動作モードを有する場合には、前記補助動力算出部は、選択された動作モードに応じて、前記相対角度差をクリアする周期を変えてもよい。

この態様では、選択された動作モードに応じた補助動力が得られるので、使用目的に応じたアシスト動作を実現することができる。

(7) 前記補助動力付き車両において、前記クラッチは、正逆双方向回転の動力伝達および動力伝達の遮断を行うことができるツーウェイクラッチであってもよい。

この態様では、補助動力付き車両の前進動作及び後退動作の何れにおいても同様に安全なアシスト動作を得ることができる。また、前進動作中に車両を後退させるような人力が付与された場合や後退動作中に車両を前進させるような人力が付与された場合であっても、安全なアシスト動作を得ることができる。

(8) 前記ツーウェイクラッチを備えた前記補助動力付き車両において、前記補助動力算出部は、前記相対角度差と、前記動力源に指令する目標値に対する実測値の偏差とに基づいて前記補助動力を算出するようにしてもよい。

この態様では、駆動源の駆動方向と反対方向に車輪が回転するように補助動力付き車両に人力が付加された場合であって、相対角度差のみに応じた補助動力では適切な値とならない場合にも、動力源に指令される目標値に対する実測値の偏差に応じた補助動力が導出される。このため、駆動源の駆動方向と反対方向に車輪が回転するように補助動力付き車両に人力が付加されるような場合にも、安全なアシスト動作を得ることができる。

(9) 前記ツーウェイクラッチを備えた前記補助動力付き車両において、前記補助動力算出部は、前記相対角度差がゼロの場合には、前記動力源に指令する目標値に対する実測値の偏差に基づいて前記補助動力を算出するようにしてもよい。

この態様では、ツーウェイクラッチの入力軸と出力軸との相対角度差がゼロとなる状況でも、安全なアシスト動作を得ることができる。

(10)前記補助動力付き車両において、前記車輪駆動部が前記クラッチの入力軸のトルクを検出する入力トルク検出部を備える場合には、前記補助動力算出部は、前記相対角度差がゼロの場合には、前記クラッチの入力軸に与えられる目標トルクと前記入力トルク検出部によって検出された前記クラッチの入力軸のトルクとの差に基づいて、前記補助動力を算出してもよい。

この態様では、ツーウェイクラッチの入力軸と出力軸との相対角度差がゼロとなる状況でも、安全なアシスト動作を得ることができる。

(11)前記補助動力付き車両において、前記車輪駆動部は、前記補助動力付き車両の見かけの質量特性及び見かけの粘性特性から構成されるインピーダンス特性を有し、前記補助動力を前記インピーダンス特性に応じて調整して前記動力源を駆動させるようにしてもよい。

この態様では、補助動力付き車両のアシスト動作特性を変化させることができる。

(12)前記補助動力付き車両において、前記補助動力付き車両の移動速度及び移動加速度を算出する移動速度及び加速度算出部を備える場合には、前記車輪駆動部は、前記移動速度及び加速度算出部によって算出された前記補助動力付き車両の移動加速度および移動速度の少なくとも一方に応じて、前記インピーダンス特性の前記見かけの質量特性および前記見かけの粘性特性の少なくとも一方の大きさを変えるようにしてもよい。

この態様では、補助動力付き車両の移動速度の大きさや移動加速度の大きさに応じてインピーダンス特性を変化させることができるので、車両の動きに応じたアシスト動作特性を得ることができる。

(13)前記補助動力付き車両において、複数の動作モードを有する場合には、前記補助動力算出部は、選択された動作モードに応じて、前記インピーダンス特性の前記見かけの質量特性および前記見かけの粘性特性の少なくとも一方の大きさを変えるようにしてもよい。

この態様では、使用目的に応じたアシスト動作特性を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、使用者が大きな操作力を加えても、過大な動力が発生することなく安全に動作することが可能な補助動力付き車両およびその制御方法を提供することができる。

以上述べたように、本発明によれば、段差や障害物等により操作力を加えても補助動力付き車両が動作できないような場合においても、過大な補助動力が発生することなく安全に動作することができる。そのため、パワーアシスト台車や介助用電動車いす等の補助動力付き車両として有用である。

Claims (13)

1. 動力伝達の断接が可能なクラッチを介して動力源からの補助動力を車輪に伝達する車輪駆動部と、
   前記クラッチの入力軸の回転角度を検出する入力回転角度検出部と、
   前記クラッチの出力軸の回転角度を検出する出力回転角度検出部と、
   前記入力回転角度検出部によって検出された前記クラッチの入力軸の回転角度と、前記出力回転角度検出部によって検出された前記クラッチの出力軸の回転角度との相対角度差を算出すると共に、この相対角度差を所定の周期でゼロクリアし、この周期毎の前記相対角度差に基づいて前記補助動力を算出する補助動力算出部と、を備えている
   ことを特徴とする補助動力付き車両。
2. 前記補助動力算出部は、前記相対角度差の時間推移を示す推移曲線と前記相対角度差がゼロを示す推移直線とに囲まれた前記周期毎の面積に基づいて前記補助動力を算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の補助動力付き車両。
3. 前記補助動力付き車両の移動速度及び移動加速度を算出する移動速度及び加速度算出部をさらに備え、
   前記補助動力算出部は、前記移動速度及び加速度算出部によって算出された前記補助動力付き車両の移動加速度および移動速度の少なくとも一方に応じて、前記相対角度差をクリアする周期を変える
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の補助動力付き車両。
4. 前記補助動力付き車両に載置されたものの重量を測定する重量測定部をさらに備え、
   前記補助動力算出部は、前記重量測定部によって検出された重量に応じて前記相対角度差をクリアする周期を変える
   ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の補助動力付き車両。
5. 移動面の傾斜角を検出する傾斜角検出部をさらに備え、
   前記補助動力算出部は、前記傾斜角検出部によって検出された前記移動面の傾斜角に応じて、前記相対角度差をクリアする周期を変える
   ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の補助動力付き車両。
6. 複数の動作モードを有しており、
   前記補助動力算出部は、選択された動作モードに応じて、前記相対角度差をクリアする周期を変える
   ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の補助動力付き車両。
7. 前記クラッチは、正逆双方向回転の動力伝達および動力伝達の遮断を行うことができるツーウェイクラッチである
   ことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の補助動力付き車両。
8. 前記補助動力算出部は、前記相対角度差と、前記動力源に指令する目標値に対する実測値の偏差とに基づいて前記補助動力を算出する
   ことを特徴とする請求項７に記載の補助動力付き車両。
9. 前記補助動力算出部は、前記相対角度差がゼロの場合には、前記動力源に指令する目標値に対する実測値の偏差に基づいて前記補助動力を算出する
   ことを特徴とする請求項８に記載の補助動力付き車両。
10. 前記車輪駆動部は、前記クラッチの入力軸のトルクを検出する入力トルク検出部を備え、
    前記補助動力算出部は、前記相対角度差がゼロの場合には、前記クラッチの入力軸に与えられる目標トルクと前記入力トルク検出部によって検出された前記クラッチの入力軸のトルクとの差に基づいて、前記補助動力を算出する
    ことを特徴とする請求項８に記載の補助動力付き車両。
11. 前記車輪駆動部は、前記補助動力付き車両の見かけの質量特性及び見かけの粘性特性から構成されるインピーダンス特性を有し、前記補助動力を前記インピーダンス特性に応じて調整して前記動力源を駆動させる
    ことを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載の補助動力付き車両。
12. 前記補助動力付き車両の移動速度及び移動加速度を算出する移動速度及び加速度算出部を備え、
    前記車輪駆動部は、前記移動速度及び加速度算出部によって算出された前記補助動力付き車両の移動加速度および移動速度の少なくとも一方に応じて、前記インピーダンス特性の前記見かけの質量特性および前記見かけの粘性特性の少なくとも一方の大きさを変える
    ことを特徴とする請求項１１に記載の補助動力付き車両。
13. 複数の動作モードを有しており、
    前記補助動力算出部は、選択された動作モードに応じて、前記インピーダンス特性の前記見かけの質量特性および前記見かけの粘性特性の少なくとも一方の大きさを変える
    ことを特徴とする請求項１１または１２に記載の補助動力付き車両。

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