JP5935965B1 - 手押し車 - Google Patents
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Abstract
変換処理部(34)は、車輪用ロータリエンコーダ(25)で検出される車輪(12)のピッチ方向の回転角度に基づいて現在の本体部(11)の角速度ωhを算出する。角速度ωhは、車輪の回転半径rと、本体部の回転半径lと、の比から、求めることができる。本体部(11)をθhだけ後傾させるためには、車輪(12)を(r/l)×θtだけ前方に回転させることになり、rθt≒lθhの関係が成り立つ。当該数式は、両辺を微分すると、ωh≒(r/l)ωtとなる。変換処理部(34)は、車輪用ロータリエンコーダ(25)で検出される車輪(12)のピッチ方向の回転角度θtから、現在の本体部(11)のピッチ方向の角速度ωhを求めることができる。これにより、制御部(21)は、ジャイロセンサ等の角速度を検出するセンサを用いずに本体部(11)の角速度ωhを検出することができる。
Description
この発明は、車輪を備えた手押し車に関し、特に車輪を駆動、制御する手押し車に関するものである。
従来、車輪を駆動および制御して倒立振子制御を行う二輪車が知られている(例えば、特許文献1を参照)。
特許文献1の倒立二輪車は、本体と、二つの車輪と、二つの車輪を駆動する駆動手段と、を備えている。さらに、特許文献1の倒立二輪車は、本体の姿勢を検出する動作状態検出手段と、駆動速度を検出するセンサ(例えばジャイロセンサ)と、を備えている。
特許文献1の倒立二輪車は、姿勢情報指令と、姿勢検出装置で検出された現在の姿勢(動作状態)と、に基づいてフィードバック制御により駆動速度指令を算出する。さらに、特許文献1の倒立二輪車は、駆動速度指令と、ジャイロセンサで検出された現在の駆動速度と、に基づいてフィードバック制御により駆動手段に印加するトルクを算出する。
特許文献1の倒立二輪車は、現在の駆動速度(ピッチ方向の角速度)を検知するためのセンサが必要である。特許文献1では、当該センサの一例として、ジャイロセンサが記載されている。しかし、特許文献1の倒立二輪車では、設計上の都合等によりジャイロセンサを用いずに倒立振子制御を行いたい、という要求を満たすことができない。
また、例えば、手押し車において倒立振子制御を行うためには、ピッチ方向の前後に本体部の回転を制限するストッパを設ける等して、本体部のピッチ方向の回転角度を所定の範囲内に制限することが好ましい。これにより、例えば電源が切れた場合であっても本体部がピッチ方向に必要以上に傾斜することがない。また、利用者が本体部に設けられた把持部に体重をかけた場合であっても、転倒するおそれがなく、利用者に安心感を与えることができる。
しかし、本体部の回転角度が制限された場合、ジャイロセンサで検出される角速度が0となる場合があるため、倒立振子制御が破綻する可能性がある。
そこで、この発明は、角速度を検出するセンサを用いずに倒立振子制御を実現する手押し車を提供することを目的とする。
本発明の手押し車は、本体部と、前記本体部に回転可能に支持されている車輪と、前記車輪をピッチ方向に回転させる駆動部と、前記駆動部をフィードバック制御する制御部と、前記本体部のピッチ方向の回転角度を検出する本体部角度検出部と、前記車輪のピッチ方向の回転角度を検出する車輪角度検出部と、を備えている。
そして、前記制御部は、前記車輪角度検出部が検出した前記車輪のピッチ方向の回転角度に基づいて前記本体部のピッチ方向の角速度を算出し、算出した前記本体部のピッチ方向の角速度と、前記本体部角度検出部が検出した前記本体部のピッチ方向の回転角度と、に基づいて前記本体部のピッチ方向の回転角度が目標回転角度になるように前記駆動部を制御することを特徴とする。
このように、制御部は、車輪のピッチ方向の回転角度から本体部の角速度を算出することで、ジャイロセンサ等の角速度を検出するセンサを用いずに本体部の角速度を検出することができる。したがって、本発明の手押し車は、本体部の角速度を検出するセンサを用いずに倒立振子制御を実現することができる。
具体的には、本体部の角速度は、車輪の回転半径と、本体部の回転半径と、の比を車輪の回転角度に乗算して微分することにより求めることができる。例えば、車輪の回転半径をr、本体部の回転半径をl、車輪の回転角度をθtとすれば、(r/l)×θtだけ車輪を回転させると、本体部の目標回転角度θhrと、現在の本体部の回転角度θhと、の偏角が0となる。したがって、rθt≒lθhの関係式が成り立ち、当該関係式の両辺を微分すると、本体部の回転角速度ωhは、ωh≒(r/l)ωtの式から求めることができる。ただし、当該関係式は、利用者Uが本体部11を移動させていないとき、または車輪12が回転していないときに成り立つものである。
また、目標角速度ωhrは、本体部の目標回転角度θhrと、本体部の現在の回転角度θhと、の差分に所定の応答係数Kp(1/s)を乗算することで求めることができる。制御部は、本体部のピッチ方向の角速度ωhと目標角速度ωhrとの偏差が0となる角加速度αhrを算出する。最後に、制御部は、当該算出した角加速度に慣性モーメント、減速比、および効率等の値を乗算することで、駆動部が車輪に印加するトルクを算出する。
このようにして、制御部は、駆動部をフィードバック制御することで倒立振子制御を行う。
なお、手押し車は、目標角速度を本体部の進行速度に変換し、該変換後の進行速度を所定の速度に制限し、制限後の進行速度を再度、目標角速度に変換する速度制限手段を備えた態様であってもよい。
このように、フィードバック制御の入力となる目標角速度を制限することで、例えば利用者が手押し車を強く押した場合にも、手押し車の進行速度が制限速度を超えないようにすることができる。
また、車輪に対するブレーキ操作を受け付けるブレーキ操作受付部を備えた態様である場合、制御部は、ブレーキ操作の操作量が大きくなるにつれて目標角速度を小さくすることで、ブレーキの握り具合に応じた速度制限を実現することもできる。
この発明によれば、角速度を検出するセンサを用いずに倒立振子制御を実現することができる。
図1は、手押し車10の左側面図であり、図2(A)は、正面図であり、図2(B)は、平面図である。
手押し車10は、鉛直方向(図中Z方向)において相対的に長く、奥行き方向(図中Y方向)および左右方向(図中X方向)において相対的に短い形状の本体部11を備えている。本体部11の鉛直下方向の下部のうち、左右方向の端部には、一対の車輪12が取り付けられている。この実施形態においては、車輪12は2輪である例を示しているが、1輪あるいは3輪以上であってもよい。
車輪12は、それぞれ中心軸を有する車輪12の回転軸(車軸)の周りに回転する。すなわち、ピッチ方向に回転可能になっている。この例では、車輪12は、ヨー方向およびロール方向には回転しないが、例えばヨー方向に回転可能にして本体部11に対して向きを変える態様としてもよい。
各車輪12に連結された2つの棒状の本体部11は、上部で把持部15に接続され、車輪12の軸を中心としてピッチ方向に回転可能になっている。ただし、本体部11は、この例のように2つの棒状である必要はなく、1つの棒状の部材であってもよいし、薄い板状の部材等であってもよい。また、本体部11の下部付近には、制御用の基板や電池等を内蔵したボックス16が配置されている。なお、本体部11は、実際にはカバーが取り付けられ、内部の基板等が外観上見えないようになっている。
把持部15は、左右方向に長い円筒形状であり、左右端付近で進行方向に対して逆方向(後方)に向かって曲げられ、後方に向かって延びている。これにより、利用者が把持部15を把持する位置を後方にシフトさせることができ、利用者の足元の空間を広くすることができる。
車輪12の回転軸には、後方に延びる薄い板状の支持部13が連結されている。支持部13は、路面と平行に延びるように、車輪12の回転軸に対してピッチ方向に回転可能に接続されている。
支持部13には、車輪12の回転軸に連結されている側とは反対方向の下面に補助輪14が連結されている。これにより、車輪12と補助輪14の両方が路面に接するようになっている。支持部13は、進行方向に対して車輪12よりも後方に延びている。このため、相対的に内径の大きい車輪12が進行方向に対して前方に配置されることになり、段差を乗り越えやすくなる。なお、支持部13は、進行方向に対して車輪12よりも前方に延び、補助輪14が車輪12よりも前方に配置される態様であってもよい。支持部13が車輪12よりも前方に延びる態様であれば、利用者Uの足元の空間を広くすることができる。
なお、車輪12の回転軸と支持部13との接続部分にモータを取り付け、このモータを駆動することで支持部13をピッチ方向に能動的に回転させるようにしてもよい。
また、この例では、支持部13および補助輪14を2つずつ設け、それぞれ左右の車輪12の回転軸に対して連結されているが、支持部13および補助輪14は、それぞれ1つあるいは3つ以上設ける態様であってもよい。ただし、図2に示すように左右の車輪12の回転軸に対して連結することで、利用者Uの足元の空間を広くすることができる。
把持部15には、電源スイッチ等のユーザインタフェース(I/F)27が設けられている。利用者Uは、把持部15を握ることで手押し車10を進行方向に押すことができる。あるいは、利用者Uは、把持部15を握らずに前腕等を把持部15に上から押し付けるように載せて、把持部15と前腕等との間で発生する摩擦により、把持部15に前腕等を載せながら手押し車10を進行方向に押すこともできる。
次に、手押し車10のハードウェア構成および動作について説明する。図3に示すように、手押し車10は、制御部21、ROM22、RAM23、駆動部24、車輪用ロータリエンコーダ25、本体部用ロータリエンコーダ26、およびユーザI/F27を備えている。車輪用ロータリエンコーダ25は、本発明の車輪角度検出部に相当し、本体部用ロータリエンコーダ26は、本体部角度検出部に相当する。
制御部21は、手押し車10を統括的に制御する機能部であり、ROM22に記憶されているプログラムを読み出し、当該プログラムをRAM23に展開することで種々の動作を実現する。
駆動部24は、車輪12に取り付けられた回転軸を回転させるモータを駆動して車輪12に動力を与える機能部である。駆動部24は、制御部21が出力する後述のトルク指令値に基づいて車輪12のモータを駆動し、車輪12をピッチ方向に回転させる。
車輪用ロータリエンコーダ25は、車輪12のピッチ方向の回転角度を検出し、検出結果を制御部21に出力する。
本体部用ロータリエンコーダ26は、本体部11と支持部13との成す角度である交差角度を検出し、検出結果を制御部21に出力する。制御部21は、本体部用ロータリエンコーダ26から入力された交差角度から本体部11のピッチ方向の回転角度を算出する。以下、ピッチ方向の回転角度は、ピッチ角度と称する。
支持部13は、水平な路面と平行になるように車輪12の回転軸に接続されている。したがって、制御部21は、交差角度が90度である場合にピッチ角度が0度、すなわち本体部11の路面の垂線に対する傾斜角度が0度であるとし、交差角度が大きくなる場合に進行方向に対して前方に傾斜し、交差角度が小さくなる場合に進行方向に対して後方に傾斜しているとして、現時点の本体部11のピッチ角度を算出する。例えば、本体部11のピッチ角度は、進行方向に対して前方に傾斜する場合に正の値となり、進行方向に対して後方に傾斜する場合を負の値となるように、「交差角度−90度」をピッチ角度として算出する。ただし、支持部13は、必ずしも水平な路面と平行になっている必要はない。例えば、手押し車10を水平な路面に配置した時に、路面と支持部13との成す角度(ピッチ方向の角度)が予め分かっていれば、当該ピッチ方向の成す角度との差分(ピッチ方向の角度変化)を求めることで、本体部11のピッチ角度を算出することができる。
なお、本体部11のピッチ角度は、図4(A)に示すように、ストッパ等により所定の範囲(例えば±30度)に制限される。これにより、例えば電源が切れた場合であっても本体部11が必要以上に傾斜することがない。また、利用者Uが把持部15に体重をかけた場合であっても、転倒するおそれがなく、利用者に安心感を与えることができる。
なお、本体部11のピッチ角度は、ロータリエンコーダだけでなく、ポテンショメータで検出してもよい。
次に、図5は、制御部21の制御構成図である。制御部21は、機能的に、目標角速度算出部31、フィードバック(FB)制御部32、トルク指令値換算部33、および変換処理部34を備えている。
目標角速度算出部31は、本体部11の目標ピッチ角度θhr(例えばθhr=0)と、現在の本体部11のピッチ角度θhと、を入力する。なお、上述のように、本体部用ロータリエンコーダ26は交差角度を検出しているため、目標角速度算出部31は、入力された交差角度から90度を差分した値「交差角度−90度」をピッチ角度θhとして入力する。
目標角速度算出部31は、入力された目標ピッチ角度θhrと、現在の本体部11のピッチ角度θhと、に基づいて目標角速度ωhrを算出する。目標角速度ωhrは、制御の応答性を表す係数Kpを用いて、以下の数式1により算出する。
ωhr=Kp(θhr−θh)・・・数式1
算出された目標角速度ωhrは、FB制御部32に入力される。FB制御部32は、当該目標角速度ωhrと、現在の本体部11の角速度ωhと、を入力する。現在の本体部11の角速度ωhは、変換処理部34により求められる。
算出された目標角速度ωhrは、FB制御部32に入力される。FB制御部32は、当該目標角速度ωhrと、現在の本体部11の角速度ωhと、を入力する。現在の本体部11の角速度ωhは、変換処理部34により求められる。
変換処理部34は、車輪用ロータリエンコーダ25で検出される車輪12のピッチ方向の回転角度に基づいて現在の本体部11の角速度ωhを算出する。角速度ωhは、車輪の回転半径rと、本体部の回転半径lと、の比から、求めることができる。図4(B)に示すように、本体部11の目標ピッチ角度θhrと、現在の本体部11のピッチ角度θhとの偏角(目標ピッチ角度θhr=0であれば、偏角=θhとなる。)は、車輪12を(r/l)×θtだけ回転させると、0となる。すなわち、本体部11をθhだけ後傾させるためには、車輪12を(r/l)×θtだけ前方に回転させることになり、以下のような関係式が成り立つ。
rθt≒lθh・・・数式2
この数式2の両辺を微分すると、数式2は、以下の数式3に変換される。
この数式2の両辺を微分すると、数式2は、以下の数式3に変換される。
ωh≒(r/l)ωt・・・数式3
このようにして、変換処理部34は、車輪用ロータリエンコーダ25で検出される車輪12のピッチ方向の回転角度θtから、現在の本体部11のピッチ方向の角速度ωhを求めることができる。これにより、制御部21は、ジャイロセンサ等の角速度を検出するセンサを用いずに本体部11の角速度ωhを検出することができる。
このようにして、変換処理部34は、車輪用ロータリエンコーダ25で検出される車輪12のピッチ方向の回転角度θtから、現在の本体部11のピッチ方向の角速度ωhを求めることができる。これにより、制御部21は、ジャイロセンサ等の角速度を検出するセンサを用いずに本体部11の角速度ωhを検出することができる。
そして、FB制御部32は、現在の本体部11の角速度ωhが目標角速度ωhrになるような角加速度αhrを求める。すなわち、FB制御部32は、現在の本体部11の角速度ωhと目標角速度ωhrとの偏差が0となる角加速度αhrを算出する。
本実施形態では、FB制御部32は、以下の数式4で表されるようなPI制御により、角加速度αhrを算出する。
数式4におけるKvは、比例ゲインであり、Tvは、積分時間である。なお、フィードバック制御は、PI制御に限るものではなく、例えば微分制御を加えたPID制御であってもよいし、比例制御だけであってもよい。
FB制御部32が算出した角加速度αhrは、トルク指令値換算部33に出力される。トルク指令値換算部33は、入力された角加速度αhrをトルク指令値trに換算する。トルク指令値trは、本体部11の慣性モーメントJ、モータから車輪12に係る減速系の減速比1/k、および減速系の効率ηにより、以下の数式5で求めることができる。
tr=J・η・k・αhr・・・数式5
トルク指令値換算部33は、算出したトルク指令値trを駆動部24に入力する。駆動部24は、入力されたトルク指令値trに基づくトルクをモータ(車輪12に取り付けられた軸を回転させるモータ)に印加して、当該モータを駆動し、車輪12を回転させる。
トルク指令値換算部33は、算出したトルク指令値trを駆動部24に入力する。駆動部24は、入力されたトルク指令値trに基づくトルクをモータ(車輪12に取り付けられた軸を回転させるモータ)に印加して、当該モータを駆動し、車輪12を回転させる。
このようにして、手押し車10は、倒立振子制御を行い、本体部11のピッチ角度θhが目標ピッチ角度θhrに保たれるように姿勢を制御する。例えば、利用者Uが手押し車10を進行方向に押して本体部11を進行方向に傾けると、手押し車10は、ピッチ角度θhを目標ピッチ角度θhr(例えば0度)に保つために、車輪12を前方に回転させる。これにより、手押し車10は前進し、利用者Uの移動に追従して手押し車10も移動することになる。
上述したように、本実施形態における手押し車10は、ストッパ等により本体部11のピッチ角度を所定の範囲内に制限しているため、ジャイロセンサ等の角速度を検出するセンサを用いてフィードバック制御を行うことができない(検出される角速度が0になる)場合がある。また、本体部11の角速度は、本体部11のピッチ角度を微分することでも求めることができるが、やはりピッチ角度の変化が制限された場合には、微分値が著しく小さくなり、算出される角速度が0になってフィードバック制御が破綻する場合がある。しかし、本実施形態の手押し車10は、車輪用ロータリエンコーダ25が検出した車輪12のピッチ方向の回転角度に基づいて本体部11のピッチ方向の角速度を算出することで、本体部11のピッチ角度の変化が制限された場合でも、フィードバック制御による倒立振子制御を実現することができる。
また、本実施形態の手押し車10では、目標角速度算出部31が係数Kpを用いて目標角速度ωhrを求め、トルク指令値換算部33が角加速度をトルク指令値に換算する。これらの演算は、いずれも単なる乗算であり、処理負荷は小さい。一方で、処理負荷の大きいフィードバック制御は、FB制御部32だけが行う。従来の制御手法では、例えば目標ピッチ角度と、現在のピッチ角度と、に基づいてフィードバック制御を行って目標角速度を算出し、さらに、ジャイロセンサで検出された角速度に基づいてフィードバック制御を行ってトルク指令値を算出する、という2段階のフィードバック制御を行っていたが、本実施形態の手押し車10は、このような2段階のフィードバック制御を行う必要はないため、処理負荷を軽減することができる。
次に、図6は、制御部21の変形例に係る制御部21Aの制御構成図である。制御部21と共通する構成は、同一の符号を付し、説明を省略する。制御部21Aは、目標角速度算出部31の後段およびFB制御部32の前段に、速度制限部35を備えている。
速度制限部35は、本体部11の進行速度を所定の値以下に制限する手段である。速度制限部35は、目標角速度算出部31から入力された目標角速度ωhr(rad/s)を、以下の数式6により本体部11の進行速度v(m/s)に変換する。
v=l・ωhr・・・数式6
速度制限部35は、算出した進行速度vを所定の値v’(例えばv’=1.5m/s)以下に制限する。そして、速度制限部35は、制限後の進行速度v’(m/s)を数式5により目標角速度ω’hr(rad/s)に再変換する。この変換後の目標角速度ω’hrがFB制御部32に入力される。したがって、目標角速度ω’hrが制限され、算出されるトルク指令値αtrが制限されることになり、本体部11の進行速度が制限されることになる。これにより、フィードバック制御を行う制御器がFB制御部32だけであっても、本体部11の進行速度を制限することができる。
速度制限部35は、算出した進行速度vを所定の値v’(例えばv’=1.5m/s)以下に制限する。そして、速度制限部35は、制限後の進行速度v’(m/s)を数式5により目標角速度ω’hr(rad/s)に再変換する。この変換後の目標角速度ω’hrがFB制御部32に入力される。したがって、目標角速度ω’hrが制限され、算出されるトルク指令値αtrが制限されることになり、本体部11の進行速度が制限されることになる。これにより、フィードバック制御を行う制御器がFB制御部32だけであっても、本体部11の進行速度を制限することができる。
また、本実施形態では、本体部11の回転角度を所定の範囲内に制限しているため、仮にジャイロセンサを用いた場合には、検出される本体部11の角速度が0になり、目標角速度ω’hrを制限したとしても算出されるトルク指令値αhrが大きくなる可能性がある。しかし、制御部21Aでは、車輪12の角速度に基づいて本体部11の角速度を求めるため、車輪12が回転している間は、変換処理部34が出力する角速度ωhが0にはならず、本体部11の進行速度が著しく大きくなることはない。
次に、図7は、手押し車10の変形例に係る手押し車10Aのハードウェア構成を示すブロック線図である。手押し車10と共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。手押し車10Aは、制御部21に代えて制御部21Aを備え、さらにブレーキ操作受付部45を備えている。
ブレーキ操作受付部45は、例えば、把持部15に隣接されたブレーキレバーである。ブレーキ操作受付部45は、ブレーキ操作およびその操作量(ブレーキ操作量b)を受け付ける。ブレーキ操作量bは、利用者Uがブレーキを操作しないときには0となり、利用者Uのブレーキ操作が最大のときは1となる。すなわち、ブレーキ操作受付部45は、ブレーキ操作量b(0≦b≦1)を検出し、当該検出したブレーキ操作量bを制御部21Aに出力する。
制御部21Aの速度制限部35は、ブレーキ操作受付部45からブレーキ操作量bを入力し、以下の数式7に示すような関数で、進行速度vおよびブレーキ操作量bに応じた制限後の進行速度v’を算出する。
v’=f(b,v)・・・数式7
関数f(b,v)は、例えば以下の数式8に示すように、ブレーキ操作受付部45のブレーキ操作量に応じて線形的に進行速度を制限する関数である。
関数f(b,v)は、例えば以下の数式8に示すように、ブレーキ操作受付部45のブレーキ操作量に応じて線形的に進行速度を制限する関数である。
f(b,v)=(1.0−b)・v・・・数式8
これにより、ブレーキ操作受付部45のブレーキ操作量が大きくなるほど、線形的に本体部11の進行速度が小さくなる。
これにより、ブレーキ操作受付部45のブレーキ操作量が大きくなるほど、線形的に本体部11の進行速度が小さくなる。
また、関数f(b,v)は、例えば以下の数式9に示すように、ブレーキ操作受付部45のブレーキ操作量が大きくなるほど減速加速度が大きくなるように進行速度を制限する関数とすることも可能である。
v0は、ブレーキ操作受付部45がブレーキ操作を受け付けたときの進行速度である。aは、ブレーキ操作量が最大のときの減速加速度であり、v0が正(前進時)のときにはv’が負の値とならない範囲で負の値となり、v0が負(後進時)のときにはv’が正の値とならない範囲で正の値となる。また、v0の値がゼロの場合にはゼロの値となる。したがって、この例では、ブレーキ操作量が大きくなるほどf(b,v)が加速度的に制限されることになる。
なお、ブレーキ操作受付部45でブレーキ操作を受け付けた場合、ブレーキ操作量に応じてFB制御部32における積分項の積分時間Tvを変化させることが好ましい。例えば、利用者Uが把持部15に大きな荷重をかける等して、車輪12を停止させ続けた場合には、変換処理部34の出力値である角速度ωhの値が0になるため、数式4で示した積分項が大きくなる。そのため、利用者Uが把持部15への荷重を解除した直後にブレーキ操作を行ったとしても、即座に進行速度が低下しない可能性がある。そこで、ブレーキ操作受付部45のブレーキ操作量が大きくなるほどFB制御部32における積分項の積分時間Tvを小さくすれば、車輪12を停止させ続けた直後であっても、ブレーキ操作に応じて素早く進行速度が低下することになる。
次に、図8は、手押し車10Aの変形例に係る手押し車10Bのハードウェア構成を示すブロック線図である。手押し車10Aと共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。手押し車10Bは、さらに接触感知センサ46を備えている。
接触感知センサ46は、把持部15に設けられ、利用者Uの接触を感知することにより、利用者Uが把持部15を握っているか否かを検知するためのセンサである。検知結果は、制御部21Aに入力される。
制御部21Aの速度制限部35は、接触感知センサ46が利用者Uの接触を検知していない場合、すなわち、利用者Uが把持部15を握っていないと判断した場合、進行速度v’を0に設定し、手押し車10Bを停止させる。ただし、突然、進行速度v’を0にして目標角速度ω’hrを0にすると、本体部11の挙動が不安定になる可能性がある。そこで、以下の数式10に示すように、所定の減速加速度aで進行速度v’を小さくすることが好ましい。
ここでは、v0は、接触感知センサ46が利用者Uの接触を検知しなくなったときの進行速度である。aは、所定の減速加速度であり、v0が正(前進時)のときにはv’が負の値とならない範囲で負の値となり、v0が負(後進時)のときにはv’が正の値とならない範囲で正の値となる。また、v0の値がゼロの場合にはゼロの値となる。
これにより、利用者Uが把持部15を離した場合には、手押し車10が安全に停止することになる。
なお、数式10を適用して手押し車10を停止させる動作は、例えば自己故障検知機能により自装置の故障を検知したとき、利用者Uが無理な操作を行ったとき(例えば手押し車を極端に強く押したとき)、あるいは障害物検知センサ等により障害物を検知したとき、等をトリガとして行ってもよい。
なお、利用者Uが把持部15が離して手押し車10が停止した後に、再び利用者Uが把持部15を握ったとき、本体部11のピッチ角度と、目標ピッチ角度と、の偏差が大きい場合には、比例制御により大きなトルク指令値trが算出され、急激に本体部11がピッチ方向に回転する可能性がある。そこで、速度制限部35は、接触感知センサ46が利用者Uの接触を検知した場合、進行速度v’をさらに小さく(例えばv’=0.5m/s)制限する。そして、本体部11の現在のピッチ角度θhが目標ピッチ角度θhrに近づいた場合(例えば±2度以内になった場合)に、進行速度v’の制限を通常の値(例えばv’=1.5m/s)に戻す動作を行う。また、この動作は、ブレーキを離した際にも適用できる。
以上のような動作をフローチャートにまとめると、図9に示すような動作になる。すなわち、制御部21Aの目標角速度算出部31は、まず目標角速度ωhrを算出する(s11)。そして、速度制限部35は、目標角速度ωhr(rad/s)を、本体部11の進行速度v(m/s)に変換し、当該進行速度vが所定の値v’(例えばv’=1.5m/s)以内であるか否かを判断する(s12)。速度制限部35は、進行速度vが所定の値を超えている場合には、当該所定の値v’(例えばv’=1.5m/s)以下に制限する(s13)。
次に、速度制限部35は、接触感知センサ46が利用者Uの接触を検知しているか否かを判断する(s14)。速度制限部35は、利用者Uが把持部15を握っていないと判断した場合、数式10を用いて所定の減速加速度aで進行速度v’を小さくする(s15)。その後、速度制限部35は、進行速度v’を目標角速度ω’hrに再変換し、FB制御部32に出力する(s21)。
速度制限部35は、利用者Uが把持部15を握っていると判断した場合、さらに本体部11の現在のピッチ角度θhが目標ピッチ角度θhrに近い(例えば±2度以内である)か否かを判断する(s16)。速度制限部35は、利用者Uの接触感知後、一度でもピッチ角度θhが目標ピッチ角度θhrに近い(例えば±2度以内である)状態になったか否かを判断し、その状態になっていないと判断した場合には、進行速度v’をさらに小さく(例えばv’=0.5m/s)制限する(s17)。ただし、この進行速度v’がさらに制限された状態で、ピッチ角度θhが目標ピッチ角度θhr付近になった場合には、進行速度の制限を解除する。
その後、速度制限部35は、ブレーキ操作受付部45からブレーキ操作量bを入力し、ブレーキ操作がなされているか否かを判断する(s18)。ブレーキ操作がなされていると判断した場合には、数式7に示すような関数で、ブレーキ操作量bに応じた進行速度v’を算出する(s19)。また、ブレーキが離されたとき、本体部11の現在のピッチ角度θhが目標ピッチ角度θhrから遠い(例えば±2度よりも大きい)場合には、現在のピッチ角度θhが目標ピッチ角度θhr付近になるまで進行速度を制限する。
次に、速度制限部35は、自己故障検知機能により自装置の故障を検知したとき、利用者Uが無理な操作を行ったとき(例えば手押し車を極端に強く押したとき)、あるいは障害物検知センサ等により障害物を検知したとき、等のような異常があったか否かを判断する(s20)。速度制限部35は、異常があると判断した場合には、数式10を用いて所定の減速加速度aで進行速度v’を小さくする(s21)。
最後に、速度制限部35は、進行速度v’を目標角速度ω’hrに再変換し、FB制御部32に出力する(s21)。
制御部21Aは、以上のような処理を繰り返し、進行速度の制限処理を行う。
10,10A,10B…手押し車
11…本体部
12…車輪
13…支持部
14…補助輪
15…把持部
16…ボックス
21,21A…制御部
22…ROM
23…RAM
24…駆動部
25…車輪用ロータリエンコーダ
26…本体部用ロータリエンコーダ
31…目標角速度算出部
32…FB制御部
33…トルク指令値換算部
34…変換処理部
35…速度制限部
45…ブレーキ操作受付部
46…接触感知センサ
11…本体部
12…車輪
13…支持部
14…補助輪
15…把持部
16…ボックス
21,21A…制御部
22…ROM
23…RAM
24…駆動部
25…車輪用ロータリエンコーダ
26…本体部用ロータリエンコーダ
31…目標角速度算出部
32…FB制御部
33…トルク指令値換算部
34…変換処理部
35…速度制限部
45…ブレーキ操作受付部
46…接触感知センサ
Claims (4)
- 本体部と、
前記本体部に回転可能に支持されている車輪と、
前記車輪をピッチ方向に回転させる駆動部と、
前記駆動部をフィードバック制御する制御部と、
前記本体部のピッチ方向の回転角度を検出する本体部角度検出部と、
前記車輪のピッチ方向の回転角度を検出する車輪角度検出部と、
を備えた手押し車であって、
前記制御部は、前記車輪角度検出部が検出した前記車輪のピッチ方向の回転角度に基づいて前記本体部のピッチ方向の角速度を算出し、
算出した前記本体部のピッチ方向の角速度と、前記本体部角度検出部が検出した前記本体部のピッチ方向の回転角度と、に基づいて前記本体部のピッチ方向の回転角度が目標回転角度になるように前記駆動部を制御し、
さらに、前記制御部は、前記車輪の回転半径と、前記本体部の回転半径と、の比を前記車輪角度検出部が検出した前記車輪のピッチ方向の回転角度に乗算して微分することにより、前記本体部のピッチ方向の角速度を算出することを特徴とする手押し車。 - 前記制御部は、前記目標回転角度と、前記本体部角度検出部が検出した前記本体部のピッチ方向の回転角度と、に基づいて目標角速度を算出し、
算出した前記本体部のピッチ方向の角速度が前記目標角速度になるように、前記駆動部が前記車輪に印加するトルクを算出する請求項1に記載の手押し車。 - 前記目標角速度を前記本体部の進行速度に変換し、変換後の進行速度を所定の速度に制限し、制限後の進行速度を前記目標角速度に再変換する速度制限手段を備え、
前記制御部は、前記速度制限手段が再変換した後の前記目標角速度に基づいて、前記駆動部が前記車輪に印加するトルクを算出する請求項2に記載の手押し車。 - 前記車輪に対するブレーキ操作を受け付けるブレーキ操作受付部を備え、
前記制御部は、前記ブレーキ操作受付部が受け付ける前記ブレーキ操作の操作量が大きくなるにつれて、前記速度制限手段が制限する進行速度を小さく設定する請求項3に記載の手押し車。
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2015
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WO2014045821A1 (ja) * | 2012-09-18 | 2014-03-27 | 株式会社村田製作所 | 手押し車 |
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