WO2012114597A1 - 歩行補助車 - Google Patents

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pitch
main body
unit
angle
walking
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福永　茂樹
鈴木　新
賢一 白土
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株式会社村田製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a walking assistance vehicle that can prevent a fall in the pitch direction.
  • walking assistance vehicles have been developed as devices for assisting walking of the elderly and disabled persons.
  • Conventional walking assistance vehicles are often composed of four wheels or eight wheels to prevent the elderly, handicapped people, etc. from falling while walking, and lower the center of gravity of the walking assistance vehicle by providing a carry bag or the like. This increases the sense of stability during walking.
  • Patent Document 1 discloses a walking assistance device that estimates the movement state of a person to be walked based on an external force detected by a sensor and appropriately self-propels based on the movement state of the person to be walked.
  • the walking assist device disclosed in Patent Document 1 needs to be provided with a sensor for detecting an external force. Therefore, it is necessary for the walk assistant to always apply a certain external force in order to make the walk assist vehicle self-run. In addition, since it is necessary to apply an external force to the place where the sensor is installed, there is a problem that it is difficult to handle for elderly persons and disabled persons who are walking assistants.
  • the conventional walking assistance vehicle in order to prevent the front wheel or the rear wheel from floating, the weight of the main body is increased to a certain level or a certain distance is secured between the wheels. Therefore, the conventional walking assistance vehicle has a bottom area of a certain level or more, and there is a problem that the carrying to public transportation such as a railway may be restricted depending on the size of the bottom area.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and provides a walking assist vehicle that has a small bottom area, assists walking of elderly persons and disabled persons who are walk assistants, and can prevent falls. With the goal.
  • a walking auxiliary vehicle supports a pair of wheels, one or a plurality of first drive units that drive the pair of wheels, and the pair of wheels that can rotate.
  • a walking assistance vehicle comprising a main body portion and a grip portion provided so as to be gripped at one end of the main body portion, a sensor portion for detecting an angle change of an inclination angle in the pitch direction of the main body portion; And a first control unit configured to control the operation of the one or more first driving units so that an angle change of the main body unit becomes 0 (zero) based on an output of the sensor unit.
  • the sensor unit includes at least one of an angular velocity sensor, an inclination sensor, and an angular acceleration sensor.
  • the sensor unit includes at least one of an angular velocity sensor, an inclination sensor, and an angular acceleration sensor, it is possible to reliably detect an angle change of the inclination angle in the pitch direction of the main body unit.
  • the walking auxiliary vehicle has a support part having one end connected so that the main body part can rotate in the pitch direction, and the support part can rotate to the other end. It is preferable to provide one or a pair of auxiliary wheels.
  • the main body portion has a support portion having one end connected so as to be able to rotate in the pitch direction, and one or a pair of auxiliary members capable of rotating is provided at the other end of the support portion.
  • the grip portion is provided so as to be able to rotate in the yaw direction of the main body portion.
  • the walking auxiliary vehicle includes a second drive unit that rotates the connecting part of the support part or the one or the pair of auxiliary wheels, and a second control unit that controls the second drive part,
  • the second control unit receives designation of a target angle as an angle formed between the support unit and the main body unit, and an angle formed between the support unit and the main body unit based on an output of the sensor unit. It is preferable to control the operation of the second drive unit so that becomes the target angle.
  • the designation of the target angle is accepted as the angle formed between the support portion and the main body portion, and the second angle is set so that the angle formed between the support portion and the main body portion becomes the target angle based on the output of the sensor portion. Control the operation of the drive. Thereby, it is possible to control the angle formed between the support portion including one or a pair of auxiliary wheels and the main body portion to be the target angle, and it is possible to prevent the main body portion from being overturned.
  • the second drive unit is provided in the connection unit of the support unit, and the second control unit determines whether an output change of the sensor unit exceeds a predetermined threshold value.
  • the second control unit determines whether an output change of the sensor unit exceeds a predetermined threshold value.
  • the angle of the angle formed between the support unit and the main body unit is determined. Delay control to suppress the change. As a result, even when a large auxiliary force is suddenly applied and the walking assistant starts to fall, the behavior of the main body does not change significantly, and the elderly person who is a walking assistant, the disabled, etc. falls. The fear can be reduced.
  • the second drive unit is provided in the connection unit of the support unit, and the second control unit is configured to output change of the sensor unit or an encoder of the second drive unit.
  • the second control unit is configured to output change of the sensor unit or an encoder of the second drive unit.
  • the walking assist vehicle includes a restraining mechanism that restrains the rotation of the support part, and a detection unit that detects presence or absence of an input from a user to the grip part, and the detection unit includes the detection unit When it is detected that there is no input to the grip portion, it is preferable that the rotation of the support portion is stopped by the restraining mechanism.
  • a restraining mechanism that restrains the rotation of the support portion, and a detection means that detects whether or not there is an input from the user to the grip portion.
  • a detection means that detects whether or not there is an input from the user to the grip portion.
  • the detection means detects that there is no input to the grip portion when it determines that the output change of the sensor portion is not longer than a predetermined time.
  • the detection means is a contact sensor provided in the grip portion.
  • the first control unit does not control the first driving unit when the rotation of the support unit is stopped by the restraining mechanism.
  • the control of the first drive portion is performed only by maintaining the posture of the walking auxiliary vehicle by the support portion by not controlling the first drive portion.
  • the required power consumption can be suppressed.
  • the walking assistance vehicle according to the present invention may further include another restraint mechanism that stops the rotation of at least one of the pair of wheels when the restraint mechanism stops the rotation of the support portion. preferable.
  • the wheel when the rotation of the support portion is stopped by the restraining mechanism, the wheel is forcibly locked by further including another restraining mechanism that stops the rotation of at least one of the pair of wheels.
  • the posture of the main body can be easily maintained by the support portion.
  • the angle of the one or more first drive parts is set so that the angle change of the main body part becomes zero. Control the behavior. Thereby, the inclination angle of the pitch direction of the main body part can be controlled to converge to an equilibrium angle that can maintain the balance so that the main body part does not fall down, such as elderly people who are walk assistants, disabled persons, etc. However, it becomes possible to stably assist walking without applying external force with particular awareness.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a walking assistance vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • the walking auxiliary vehicle 1 according to the present embodiment has a pair of wheels 2 supported by a main body 3 so as to be rotatable, and a main body on the side opposite to the side on which the pair of wheels 2 are supported.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the pitch direction, the roll direction, and the yaw direction.
  • the rotation direction around the y axis is the pitch.
  • the main body portion 3 tilts forward, and when rotating in the clockwise direction toward the (+) direction of the y axis, the main body portion 3 is Tilt backwards.
  • the main body 3 includes a pitch gyro sensor (sensor unit) 5 that detects a pitch angular velocity that is an angular velocity of an inclination angle in the pitch direction, and a pair of wheels 2 in conjunction with the rotation of the pair of wheels 2. And a pitch encoder (pitch rotation sensor) 61 for detecting the rotational position (angle) or rotational speed of the pitch motor 6.
  • the pitch gyro sensor 5 is attached to the main body 3 with a detection shaft (not shown) for detecting the pitch angular velocity directed in a substantially horizontal direction.
  • substantially left-right direction means that there may be a slight angle shift in the vertical direction with respect to the exact left-right direction.
  • the target pitch angle calculation unit 44 when the pitch motor 6 rotates in the direction in which the pair of wheels 2 moves forward from the rotation speed of the pitch motor 6 obtained by the pitch rotation speed calculation unit 43, When the pitch motor 6 rotates in the direction in which the wheels 2 move forward and in the direction in which the pair of wheels 2 moves backward, the rotational speed of the pitch motor 6 increases so that the pair of wheels 2 moves in the backward direction.
  • the target pitch angle ⁇ rp is obtained by multiplying the proportional coefficient. Thereby, the inclination in the pitch direction can be corrected while ensuring the rotational speed for the instructed movement.
  • the pitch inclination angle which is the angle at which the main body 3 is inclined in the pitch direction, is estimated from the balanced state.
  • the pitch inclination angle can be estimated with high accuracy.
  • the pitch angular velocity output from the pitch gyro sensor 5 is not integrated, there is no calculation error of the target pitch angle due to accumulation of noise, offset, etc., and the reaction torque accompanying the rotation of the pair of wheels 2 is used.
  • the inclination in the pitch direction from the balanced state can be corrected with high accuracy, and the fall in the pitch direction can be prevented.
  • the corrected pitch torque command is output to the driver via the pitch DA converter unit 51, and the rotation of the pitch motor 6 is controlled.
  • the rotation of the pitch motor 6 is transmitted to the pair of wheels 2.
  • the controller calculates a pitch angle deviation by subtracting an estimated value of the pitch inclination angle estimated in step S512 described later from the calculated target pitch angle (step S505), and multiplies the calculated pitch angle deviation by a proportional gain to obtain a target
  • the pitch angular velocity ⁇ 2p is calculated (step S506).
  • the controller corrects the generated pitch torque command ⁇ 0p with the pitch direction external torque ⁇ 3p estimated in step S513, which will be described later, and generates a pitch torque command ⁇ 2p (step S509).
  • the controller uses (Equation 18) to calculate the angle at which the main body 3 is inclined in the pitch direction from the balanced state, based on the calculated pitch angular velocity ⁇ 1p and the pitch torque command ⁇ 2p generated in step S509 described above. Is estimated (step S512). Based on the estimated pitch inclination angle, the controller estimates the pitch direction external torque generated by the inclination from the balanced state to the pitch direction (step S513).
  • the controller determines whether or not a pitch torque command ⁇ 2p has been generated in step S509 (step S514).
  • step S514 When the controller determines that the pitch torque command ⁇ 2p has been generated (step S514: YES), the controller multiplies the generated pitch torque command ⁇ 2p by a conversion coefficient to calculate a command voltage (step S515). . The controller performs D / A conversion on the calculated command voltage and outputs the converted command voltage to a driver that rotationally drives the pitch motor 6 (step S516). The controller returns the process to step S501 and step S510, and repeats the above-described process.
  • step S514 when the controller determines that the pitch torque command ⁇ 2p is not generated (step S514: NO), the main body 3 is in a balanced state and there is no forward / backward instruction, and the controller ends the process.
  • the above-described example shows the processing procedure when a forward instruction or a reverse instruction is received as a rotation angle pulse signal, but even if a rotation speed pulse signal is received as a forward instruction or a reverse instruction, the pitch is By obtaining the deviation of the angular velocity, the inclination angle in the pitch direction can be controlled by the same processing procedure.
  • the position of the fulcrum 10 that is the rotation center of the support part 7 is not particularly limited as long as it is within the main body part 3. This is because it is sufficient if the main body 3 can be prevented from falling.
  • FIG. 6 is a control block diagram showing an example of operation control of the support portion 7 that supports the auxiliary wheel 8 of the walking auxiliary vehicle 1 according to the embodiment of the present invention.
  • the auxiliary wheel target angle receiving unit 601 receives the designation of the target angle ⁇ ref of the angle ⁇ formed between the support unit 7 that supports the auxiliary wheel 8 and the main body unit 3.
  • ⁇ 0 represents the balance angle of the pitch tilt angle
  • ⁇ represents the pitch tilt angle estimated by the pitch tilt angle estimating unit 602.
  • ⁇ ref is a target angle of the support unit 7 that has received designation by the auxiliary wheel target angle receiving unit 601.
  • the angle ⁇ formed between the support portion 7 and the main body portion 3 is calculated as the sum of the target angle ⁇ ref and the target angle change d ⁇ , and the torque command generation portion 604 is obtained from the output (pulse signal) of the support portion angle encoder 91.
  • a torque command ⁇ is generated by, for example, PID control.
  • the generated torque command ⁇ is multiplied by a conversion coefficient to calculate a command voltage, and the DA converter or the like outputs the command voltage to the driver to control the operation of the electric motor 9.
  • FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the operation control of the auxiliary wheel 8 by the electric motor 9 of the walking auxiliary vehicle 1 according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A shows a state where no external force is applied to the walking assistance vehicle 1 (still), and
  • FIG. 7B shows a state where an external force is applied. Yes.
  • the target angle of the support portion 7 that supports the auxiliary wheel 8 is changed according to the change in the inclination angle of the main body portion 3 in the pitch direction, and the ratio of the force that the support portion 7 supports the main body portion 3 is made constant.
  • the reaction force from the support portion 7 to the main body portion 3 does not hinder the operation control of the pitch motor 6.
  • the pitch inclination angle ⁇ of the main body 3 changes greatly.
  • the controller of the control board 32 determines whether or not the pitch inclination angle ⁇ exceeds a predetermined threshold, for example, the pitch inclination angle ⁇ exceeds 25 degrees, and when determining that the pitch inclination angle ⁇ exceeds the predetermined threshold, The time constant of the control equation is increased so as to increase the delay time of the operation of the electric motor 9 (delay control). By doing in this way, the response with respect to the added external force can be made slow and operation
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a case where the auxiliary wheel 8 is positioned between the pair of wheels 2 of the main body 3 and the walking assistant.
  • FIG. 8 (a) when the auxiliary wheel 8 is located between the pair of wheels 2 of the main body 3 and the walking assistant 80, for "falling in the backward direction" during walking, It is easy to prevent the auxiliary wheel 8 from falling.
  • FIG. 8 (b) with respect to “falling in the forward direction”, there is a possibility that the auxiliary wheel 8 that should be prevented from falling rises and the fall cannot be prevented.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a case where the pair of wheels 2 of the main body 3 is located between the auxiliary wheel 8 and the walking assistant 80.
  • the auxiliary wheel 8 can reliably prevent the fall. That is, by selecting the relative positional relationship between the person to be walked 80, the auxiliary wheel 8, and the pair of wheels 2 of the main body 3, can the "fall in the forward direction" be prevented during walking? It is possible to change whether or not “falling in the backward direction” can be prevented.
  • FIG. 10 is a schematic diagram for explaining a method of attaching the grip portion 4 of the walking assistance vehicle 1 to the main body portion 3 according to the embodiment of the present invention.
  • the main body 3 and the grip 4 are separated, and the grip 4 is fixed to the main body 3 with screws or pins 90 or the like. It ’s fine.
  • the gripping part 4 can be rotated in the yaw direction of the main body part 3, and by rotating 180 degrees in the yaw direction, the orientation of the gripping part 4 is changed by 180 degrees to assist walking.
  • the relative positional relationship between the person 80, the auxiliary wheel 8, and the pair of wheels 2 of the main body 3 is changed.
  • the height of the grip portion 4 shown in FIG. 10 can be easily adjusted. For example, by adjusting the height of the fixing position in FIGS. 10A and 10C, and by providing a plurality of holes with different heights in FIG. Can be changed. 10B, the same effect can be expected if a structure in which the length of the column portion of the grip portion 4 can be changed, for example, a structure in which the column portion can slide is used.
  • FIG. 11 is a flowchart showing the procedure of the angle control process in the pitch direction of the support portion 7 that supports the auxiliary wheel 8 by the controller of the control board 32 of the walking auxiliary vehicle 1.
  • the controller of the control board 32 accepts designation of the target angle ⁇ ref ⁇ as an angle formed between the support portion 7 that supports the auxiliary wheel 8 and the main body portion 3 (step S1101), and the pitch gyro sensor 5
  • the pitch angular velocity output at step A is obtained by A / D conversion (step S1102).
  • the controller integrates the acquired pitch angular velocity to estimate the pitch inclination angle ⁇ (step S1103), and calculates an angle change d ⁇ of the target angle ⁇ ref of the support portion 7 using (Equation 22) (step S1104).
  • the controller counts the number of pulses of the output (pulse signal) of the support portion angle encoder 91 (step S1105), the angle ⁇ of the support portion 7 calculated from the output (pulse signal) of the support portion angle encoder 91, and the support portion.
  • the deviation from the target angle ( ⁇ ref + d ⁇ ) of 7 is acquired (step S1106).
  • the controller uses the deviation between the angle ⁇ of the support portion 7 and the target angle of the support portion 7 ( ⁇ ref) + d ⁇ ) to estimate the pitch direction external torque that rotates the support portion 7 in the pitch direction (step S1107).
  • the controller generates a pitch torque command based on the estimated pitch direction external torque (step S1108), and multiplies the generated pitch torque command by a conversion coefficient to calculate a command voltage (step S1109).
  • the controller performs D / A conversion on the calculated command voltage and outputs the converted command voltage to the driver that rotationally drives the electric motor 9 (step S1110).
  • the controller repeatedly executes the processing from step S1101 to step S1110.
  • the inclination angle of the main body 3 in the pitch direction is The main body 3 can be controlled to converge to an equilibrium angle that can maintain a balance so that the body part 3 does not fall down, and the elderly person who is a walking assistant 80, the disabled, etc. are particularly conscious and stable without applying external force.
  • walking can be assisted.
  • the body part 3 can be prevented from being tilted by the auxiliary wheel 8, which is safer. It is possible to assist walking. Further, even when a sudden external force is suddenly applied and the walking assistant 80 is about to fall over, the behavior of the main body 3 is not greatly changed, and the elderly person who is the walking assistant 80, the disabled person, etc. It is possible to reduce the risk of falling.
  • the battery 33 it is natural to use the battery 33 as a drive source in consideration of use when going out.
  • the battery 33 is used as a drive source, if the operation of the pitch motor 6 and the electric motor 9 is always controlled, the battery 33 may be exhausted so that it cannot be used for a long time.
  • a brake mechanism that restrains the rotation of the support portion 7 and a detection means that detects whether or not there is an input from the user to the grip portion 4 are provided so that an input from the user to the grip portion 4 can be performed. If it is determined that it does not exceed a certain time (for example, 10 seconds), the power supply to the electric motor 9 or the second control unit that controls the operation of the electric motor 9 is not performed instead of causing the brake mechanism to function (first operation). The power consumption can be reduced by controlling the two drive units (the electric motor 9 is not controlled).
  • pitch motor 6 or the first control unit that controls the operation of the pitch motor 6 may not be performed.
  • the posture of the walking auxiliary vehicle can be maintained only by the support portion 7, and the power consumption required for controlling the first drive portion (pitch motor 6) can be suppressed.
  • an output signal from the pitch gyro sensor 5 may be used as a detection means for detecting the presence / absence of an input from the user to the grip portion 4. You may make it detect whether the part 4 was touched.
  • the pitch motor 6 is not limited to being provided for each pair of wheels 2, and one pitch motor may be provided for each wheel.
  • the brake mechanism (restraint mechanism) is not limited to being provided at the connecting portion of the support portion 7, and one other restraint mechanism may be provided on the pair of wheels 2. You may provide one by one.
  • an angular velocity sensor is used as the pitch gyro sensor 5 has been described, an angular acceleration sensor, an inclination sensor, or the like may be used, or a plurality of these may be combined.

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Abstract

　底面積が小さく、被歩行補助者である老人、身障者等の歩行を補助し、転倒を防止することができる歩行補助車を提供する。　本発明に係る歩行補助車は、一対の車輪と、該一対の車輪を駆動する一又は複数の第１駆動部と、一対の車輪を回転することが可能に支持する本体部と、本体部の一端に把持することが可能に設けられている把持部とを備える。本体部のピッチ方向の傾斜角の角度変化を検出するセンサ部と、センサ部からの出力に基づいて、本体部の角度変化が０（ゼロ）となるよう一又は複数の第１駆動部の動作を制御する第１制御部とを備える。

Description

歩行補助車
　本発明は、ピッチ方向への転倒を防止することができる歩行補助車に関する。
　従来、老人、身障者等の歩行を補助する装置として、多くの歩行補助車が開発されている。従来の歩行補助車は、老人、身障者等が歩行中に転倒することを回避するよう、４輪又は８輪で構成されることが多く、キャリーバッグ等を備えることにより歩行補助車の重心を下げることにより、歩行中の安定感を高めている。
　また、老人、身障者等の歩行を補助するべく、電動モータ等で車輪を回転させることが好ましい。例えば特許文献１では、被歩行補助者の移動状態を、センサで検出した外力に基づいて推定し、被歩行補助者の移動状態に基づいて適切に自走させる歩行補助装置が開示されている。
特許第２８９８９６９号公報
　特許文献１に開示してある歩行補助装置は、外力を検出するセンサを設ける必要がある。したがって、被歩行補助者は、歩行補助車を自走させるために常に意識して一定の外力を加える必要がある。しかも、センサを設置してある場所に外力を加える必要があるので、被歩行補助者である老人、身障者等にとっては扱いにくいという問題点があった。
　また、被歩行補助者である老人、身障者等は健常者よりも転倒しやすい。従来の歩行補助車では、前輪又は後輪の浮きを防止するべく、本体部の重量を一定以上に重くする、車輪間に一定以上の距離を確保する等で対応している。したがって、従来の歩行補助車は、一定以上の底面積を有しており、底面積の大きさによっては鉄道等の公共交通機関への持ち込みが制限されるおそれがあるという問題点もあった。
　本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、底面積が小さく、被歩行補助者である老人、身障者等の歩行を補助し、転倒を防止することができる歩行補助車を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために本発明に係る歩行補助車は、一対の車輪と、該一対の車輪を駆動する一又は複数の第１駆動部と、前記一対の車輪を回転することが可能に支持する本体部と、該本体部の一端に把持することが可能に設けられている把持部とを備える歩行補助車において、前記本体部のピッチ方向の傾斜角の角度変化を検出するセンサ部と、該センサ部の出力に基づいて、前記本体部の角度変化が０（ゼロ）となるよう前記一又は複数の第１駆動部の動作を制御する第１制御部とを備えることを特徴とする。
　上記構成では、本体部のピッチ方向の傾斜角の角度変化を検出するセンサ部の出力に基づいて、本体部の角度変化が０（ゼロ）となるよう一又は複数の第１駆動部の動作を制御する。これにより、本体部のピッチ方向の傾斜角を、本体部が倒れこまないよう均衡を保持することが可能な平衡角度に収束するよう制御することができ、被歩行補助者である老人、身障者等が特に意識して外力を加えることなく、安定して歩行を補助することが可能となる。
　また、本発明に係る歩行補助車は、前記センサ部が、角速度センサ、傾斜センサ、角加速度センサのうち少なくとも１つを含むことが好ましい。
　上記構成では、センサ部は、角速度センサ、傾斜センサ、角加速度センサのうち少なくとも１つを含むので、本体部のピッチ方向の傾斜角の角度変化を確実に検出することが可能となる。
　また、本発明に係る歩行補助車は、前記本体部が、ピッチ方向に回転することが可能に一端を連結してある支持部を有し、該支持部は、他端に回転することが可能な一又は一対の補助輪を備えることが好ましい。
　上記構成では、本体部は、ピッチ方向に回転することが可能に一端を連結してある支持部を有しており、支持部の他端には、回転することが可能な一又は一対の補助輪を備えている。これにより、被歩行補助者である老人、身障者等が把持部に体重をかけてもたれた場合であっても、補助輪により本体部が傾斜することを抑制することができ、より安全に歩行を補助することが可能となる。
　また、本発明に係る歩行補助車は、前記把持部が、前記本体部のヨー方向に回転することが可能に設けられていることが好ましい。
　上記構成では、把持部は、本体部のヨー方向に回転することができるので、被歩行補助者である老人、身障者等から見て、補助輪を本体部の車輪と被歩行補助者との間に位置させるか、本体部の車輪を補助輪と被歩行補助者との間に位置させるか、を選択することが可能となる。
　また、本発明に係る歩行補助車は、前記支持部の連結部もしくは前記一又は一対の補助輪を回転させる第２駆動部と、該第２駆動部を制御する第２制御部とを備え、該第２制御部は、前記支持部と前記本体部との間でなす角度として目標角度の指定を受け付け、前記センサ部の出力に基づいて、前記支持部と前記本体部との間でなす角度が前記目標角度となるよう前記第２駆動部の動作を制御することが好ましい。
　上記構成では、支持部と本体部との間でなす角度として目標角度の指定を受け付け、センサ部の出力に基づいて、支持部と本体部との間でなす角度が目標角度となるよう第２駆動部の動作を制御する。これにより、一又は一対の補助輪を備える支持部と本体部との間でなす角度が目標角度となるよう制御することができ、本体部の転倒を未然に防止することが可能となる。
　また、本発明に係る歩行補助車は、前記第２駆動部が前記支持部の前記連結部に設けてあり、前記第２制御部は、前記センサ部の出力変化が所定の閾値を超えたか否かを判断し、前記センサ部の出力変化が所定の閾値を超えたと判断した場合、前記支持部と前記本体部との間でなす角度の変化を抑制するよう遅れ制御することが好ましい。
　上記構成では、センサ部の出力変化が所定の閾値を超えたか否かを判断し、センサ部の出力変化が所定の閾値を超えたと判断した場合、支持部と本体部との間でなす角度の変化を抑制するよう遅れ制御する。これにより、急に大きな外力が付加されて被歩行補助者が転倒しかけた場合であっても、本体部の挙動を大きく変化させることがなく、被歩行補助者である老人、身障者等の転倒するおそれを低減することが可能となる。
　また、本発明に係る歩行補助車は、前記第２駆動部が前記支持部の前記連結部に設けてあり、前記第２制御部は、前記センサ部の出力変化又は前記第２駆動部のエンコーダ出力変化が所定の閾値を超えたか否かを判断し、前記センサ部の出力変化又は前記第２駆動部のエンコーダ出力変化が所定の閾値を超えていないと判断した場合、前記第２駆動部の制御を行わないことが好ましい。
　上記構成では、センサ部の出力変化又は第２駆動部のエンコーダ出力変化が所定の閾値を超えたか否かを判断し、センサ部の出力変化又は第２駆動部のエンコーダ出力変化が所定の閾値を超えていないと判断した場合、第２駆動部の制御を行わない。これにより、補助輪がブレーキとして作用し、杖のように被歩行補助者を支持することが可能となる。
　また、本発明に係る歩行補助車は、前記支持部の回転を拘束する拘束機構と、使用者から前記把持部への入力の有無を検出する検出手段とを有し、該検出手段が、前記把持部への入力がないと検出した場合に、前記拘束機構により前記支持部の回転を停止させることが好ましい。
　上記構成では、支持部の回転を拘束する拘束機構と、使用者から把持部への入力の有無を検出する検出手段とを有する。把持部への入力がないと検出した場合に、拘束機構により支持部の回転を停止させることにより、使用者が把持部を触っていないことを検出した場合には、支持部を回転させることなく歩行補助車の姿勢を支持部により維持することができ、電力消費を抑制することができる。
　また、本発明に係る歩行補助車は、前記検出手段が、前記センサ部の出力変化が一定時間以上ないと判断した場合、前記把持部への入力がないと検出することが好ましい。
　上記構成では、センサ部の出力変化が一定時間以上ないと判断した場合、把持部への入力がないと検出することにより、支持部を回転させることなく歩行補助車の姿勢を支持部により維持することができ、電力消費を抑制することができる。
　また、本発明に係る歩行補助車は、前記検出手段が、前記把持部に設けられている接触センサであることが好ましい。
　上記構成では、把持部に設けられている接触センサを検出手段として用いることにより、使用者が把持部に触れたかどうかを検出することができる。
　また、本発明に係る歩行補助車は、前記拘束機構により前記支持部の回転を停止させる際に、前記第１制御部が前記第１駆動部の制御を行わないことが好ましい。
　上記構成では、拘束機構により支持部の回転を停止させる際に、第１駆動部の制御を行わないことにより、歩行補助車の姿勢を支持部により維持するのみで、第１駆動部の制御に要する電力消費を抑制することができる。
　また、本発明に係る歩行補助車は、前記拘束機構により前記支持部の回転を停止させる際に、前記一対の車輪のうち少なくとも一方の車輪の回転を停止させる他の拘束機構をさらに有することが好ましい。
　上記構成では、拘束機構により支持部の回転を停止させる際に、一対の車輪のうち少なくとも一方の車輪の回転を停止させる他の拘束機構をさらに有することにより、車輪を強制的にロックさせることで支持部により本体部の姿勢を容易に維持することができる。
　上記構成によれば、本体部のピッチ方向の傾斜角の角度変化を検出するセンサ部の出力に基づいて、本体部の角度変化が０（ゼロ）となるよう一又は複数の第１駆動部の動作を制御する。これにより、本体部のピッチ方向の傾斜角を、本体部が倒れこまないよう均衡を保持することが可能な平衡角度に収束するよう制御することができ、被歩行補助者である老人、身障者等が特に意識して外力を加えることなく、安定して歩行を補助することが可能となる。
本発明の実施の形態に係る歩行補助車の構成を示す斜視図である。 ピッチ方向、ロール方向及びヨー方向を説明する模式図である。 歩行補助車のピッチ方向の転倒を防止する制御の一例を示す制御ブロック図である。 歩行補助車のモデルを側面から見た模式図である。 本発明の実施の形態に係る歩行補助車の制御基板のコントローラによるピッチ方向の転倒防止処理手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る歩行補助車の補助輪を支持する支持部の動作制御の一例を示す制御ブロック図である。 本発明の実施の形態に係る歩行補助車の電動モータによる補助輪の動作制御を説明する模式図である。 補助輪が本体部の一対の車輪と被歩行補助者との間に位置する場合を示す模式図である。 本体部の一対の車輪が、補助輪と被歩行補助者との間に位置する場合を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る歩行補助車の把持部の本体部への取付方法を説明するための模式図である。 歩行補助車の制御基板のコントローラによる、補助輪を支持する支持部のピッチ方向の角度制御処理の手順を示すフローチャートである。
　以下、本発明の実施の形態に係る歩行補助車について、図面に基づいて具体的に説明する。
　図１は、本発明の実施の形態に係る歩行補助車の構成を示す斜視図である。本実施の形態に係る歩行補助車１は、一対の車輪２が、回転することが可能に本体部３に支持されており、一対の車輪２が支持されている側とは反対側の、本体部３の一端に設けられている把持部４を被歩行補助者である老人、身障者等が把持して歩行する。
　ここで、ピッチ方向を明確にしておく。図２は、ピッチ方向、ロール方向及びヨー方向を説明する模式図である。図２に示すように、歩行補助車１がｘｙ面上をｘ軸の（＋）方向へ前進又はｘ軸の（－）方向へ後退するように移動する場合、ｙ軸周りの回転方向がピッチ方向である。ｙ軸の（＋）方向を向いて反時計回りに回転した場合には本体部３が前方へ傾斜し、ｙ軸の（＋）方向を向いて時計回りに回転した場合には本体部３が後方へ傾斜する。また、ｘ軸周りの回転方向がロール方向であり、本体部３が左右方向へ揺動する場合の回転方向である。さらに、ｚ軸周りの回転方向がヨー方向であり、一対の車輪２の向きをｘ軸方向から傾ける場合の回転方向である。
　図１に示すように、本体部３には、ピッチ方向の傾斜角度の角速度であるピッチ角速度を検出するピッチ用ジャイロセンサ（センサ部）５、一対の車輪２の回転と連動し、一対の車輪２を回転させるピッチ用モータ（第１駆動部）６、及びピッチ用モータ６の回転位置（角度）又は回転速度を検出するピッチ用エンコーダ（ピッチ用回転センサ）６１を備える。ピッチ用ジャイロセンサ５は、ピッチ角速度を検出する図示しない検出軸を略左右方向に向けて本体部３に取り付けられている。ここで、略左右方向とは、厳密な左右方向に対して上下に若干の角度ずれがあってもよいことを意味する。本体部３と一対の車輪２とは、一対の車輪２を回転自在に支持するフレーム３１で連結され、ピッチ用モータ６の回転は、本体部３に備えたベルト（図示せず）を介して一対の車輪２へ伝わる。なお、フレーム３１は、本体部３の一部分である。また、ピッチ用ジャイロセンサ５は、ピッチ角速度を検出することができれば良く、ジャイロセンサに限定されるものではない。
　また、本体部３には、ピッチ用モータ６の動作（回転）を制御する制御基板（第１制御部）３２及び電池３３が装備されている。制御基板３２には、ピッチ用モータ６を回転駆動するドライバ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、カウンタ、コントローラ等が搭載されている。コントローラは、具体的にはマイクロプロセッサ、ＣＰＵ、ＬＳＩ等である。歩行補助車１は、一対の車輪２の回転に伴う反動トルクを利用してピッチ方向の釣合いをとるように制御している。図３は、歩行補助車１のピッチ方向の転倒を防止する制御の一例を示す制御ブロック図である。
　図３に示すように、ピッチ用カウンタ部４１では、ピッチ用エンコーダ６１の出力パルス信号のパルス数が計数される。前進／後退指示受付部４２では、一対の車輪２の前進指示又は後退指示を回転速度又は回転角度のパルス信号として受け付ける。前進指示又は後退指示を回転角度のパルス信号として受け付けた場合、ピッチ用回転速度計算部４３では、前進指示又は後退指示のパルス信号のパルス数からピッチ用カウンタ部４１で計数されたパルス数を減算し、減算して得たパルス数を回転角度（偏差）に変換した後、微分してピッチ用モータ６の回転速度を求める。ノイズ除去のためのＬＰＦ（ローパスフィルタ）を装備しても良い。
　目標ピッチ角計算部４４では、ピッチ用回転速度計算部４３で求めたピッチ用モータ６の回転速度から、ピッチ用モータ６が、一対の車輪２が前進する方向に回転する場合には、一対の車輪２は前進する方向に、ピッチ用モータ６が、一対の車輪２が後退する方向に回転する場合には、一対の車輪２は後退する方向になるように、ピッチ用モータ６の回転速度に比例係数を乗算して目標ピッチ角θrpを求める。これにより、指示された移動のための回転速度を確保しつつ、ピッチ方向の傾斜を補正することができる。
　一方、ピッチ用ＡＤコンバータ部４５では、ピッチ用ジャイロセンサ５のピッチ角速度出力をＡＤ変換して取得する。ピッチ角速度計算部４６では、取得したピッチ角速度出力に変換係数を乗算して、ピッチ角速度ω1pを算出する。
　ピッチ傾斜角推定部４７では、ピッチ角速度ω1pと、後述のピッチ用トルク指令τ2pとから、本体部３と一対の車輪２とを含んだ系の傾斜角方向（ピッチ方向）の運動方程式から後述の（式１８）を導出して算出することにより、ピッチ傾斜角を推定する。さらに適切な推定速度を持たせてループを安定化させるための一次遅れ要素を直列に加えることで、ピッチ傾斜角の推定値を算出している。具体的には、（式１８）で推定したピッチ傾斜角に、一次遅れ要素として例えば１／（０．１Ｓ＋１）を直列に加えることになるが、これに限られるものではなく、適切な推定速度となるような任意の一次遅れ要素を加えることができる。
　ピッチ方向外部トルク推定部５２では、ピッチ傾斜角の推定値に変換係数を乗算して、本体部３に働いているピッチ方向外部トルクの推定値を算出し、算出したピッチ方向外部トルクの推定値に相当するピッチ用補正トルクτ3pを生成する。
　目標ピッチ角速度計算部４８では、目標ピッチ角θrpからピッチ傾斜角の推定値を減じたピッチ角度偏差に比例ゲインを乗算して、目標ピッチ角速度ω2pを算出する。ピッチ用トルク指令生成部４９では、目標ピッチ角速度ω2pとピッチ角速度ω1pとの偏差に対して、例えばＰＩ制御によりピッチ用トルク指令τ0pを生成する。ピッチ用モータトルク指令電圧計算部５０では、ピッチ用トルク指令τ0pにピッチ用補正トルクτ3pを加えたピッチ用トルク指令τ2pに対して、変換係数を乗算して、指令電圧を算出する。最後に、ピッチ用ＤＡコンバータ部５１では、ドライバに指令電圧を出力し、ピッチ用モータ６の動作を制御する。
　ここで、ピッチ傾斜角を推定する計算式（式１８）の導出方法について、以下に説明する。図４は、歩行補助車１のモデルを側面から見た模式図である。図４では、一対の車輪２、本体部３及び本体部３に取り付けられたピッチ用ジャイロセンサ５のみを模式的に示し、図４上で左向きの矢印方向が前進方向であり、本体部３が前傾した状態を示している。まずラグランジュ方程式により、運動方程式を導出する。本体部３と一対の車輪２とを合わせた、全体の運動エネルギーＴ及び位置エネルギーＵは以下のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　一般化座標と一般化速度による微分量は、以下のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ラグランジュ方程式（式９）、（式１０）に（式３）～（式８）を代入する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　この結果、運動方程式として、次の（式１１）、（式１２）を得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　（式１２）を変形すると、（式１３）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　（式１３）を（式１１）に代入してｓｉｎθ1pをθ1pで近似すると、（式１４）を得る。（式１４）より、本体部３の運動は、一対の車輪２の回転角度及び角速度には無関係となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
－ピッチ傾斜角の推定－
　ピッチ傾斜角は、ピッチ用ジャイロセンサ５の出力を積分して求めることも可能であるが、特にそれに限定されるものではない。例えば図４に示すモデルの運動方程式を用いて、ピッチ角速度ω1pとピッチ用トルク指令τ2pとから、ピッチ傾斜角を推定する。運動方程式（式１４）を変形すると、（式１５）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　一方、ピッチ角速度ω1pは、（式１６）で表わされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　また、外力によって本体部３が傾斜している方向（ピッチ方向）にトルクτ1pが発生した場合、見かけの釣合い傾斜角θ0pは（式１７）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　従って、見かけの釣合い傾斜角θ0pと、現在のピッチ方向の傾斜角θ1pとの偏差角（ピッチ傾斜角）は、上記（式１５）、（式１６）、（式１７）より、（式１８）を導出して算出することによって推定することができる。ただし、適切な推定速度を持たせてループを安定化させるために、一次遅れ要素を直列に加えておくのが良い。なお、（式１８）はピッチ傾斜角を推定する計算式の一例であり、対象モデルによってピッチ傾斜角を推定する計算式は異なる場合がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　ピッチ角速度ω1pと、目標ピッチ角θrpに基づいて生成されるピッチ用トルク指令τ2pとから、釣合い状態から本体部３がピッチ方向へ傾斜している角度であるピッチ傾斜角を推定することにより、ピッチ傾斜角を精度良く推定することができる。また、ピッチ用ジャイロセンサ５によるピッチ角速度出力を積分することがないので、ノイズ、オフセット等の累積による目標ピッチ角の計算誤差が生じることがなく、一対の車輪２の回転に伴う反動トルクを利用し、釣合い状態からピッチ方向への傾斜を精度良く補正して、ピッチ方向への転倒を防止することができる。
－ピッチ方向外部トルクフィードフォワード－
　(式１８)を用いて推定された偏差角（ピッチ傾斜角推定値）によって、ピッチ方向外部トルクを補償する。ピッチ方向外部トルク推定値は、(式１８)を用いて推定された偏差角（ピッチ傾斜角推定値）を用いて（式１９）により表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　車輪に働くトルクτ2pからピッチ方向外部トルク推定値を減じたトルクをピッチ方向内部トルクとすると、（式２０）で表わされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　（式１４）、（式１８）、（式１９）、及び（式２０）を用いることで、運動方程式（式１４）を（式２１）へと変形することができるので、ピッチ方向外部トルクを補償することができる。釣合い状態から本体部３がピッチ方向へ傾斜している角度であるピッチ傾斜角を推定した（式１８）によって、釣合い状態からピッチ方向への傾斜によって生じるピッチ方向外部トルクを推定することができるので、推定したピッチ方向外部トルクに相当するピッチ用補正トルクを算出することができる。したがって、ピッチ方向外部トルクによる影響を加味してピッチ用モータ６の回転をより適正に制御することができるので、釣合い状態からピッチ方向への傾斜をより精度良く補正してピッチ方向への転倒を防止することができる。特に、傾斜角ループ、傾斜角速度ループの応答周波数が低い場合でも、ピッチ方向外部トルクをフィードフォワード制御で補償することにより、ピッチ方向の転倒防止制御を継続することができるため、安定した制御が可能となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　補正されたピッチ用トルク指令は、ピッチ用ＤＡコンバータ部５１を介してドライバへ出力され、ピッチ用モータ６の回転が制御される。ピッチ用モータ６の回転は、一対の車輪２へ伝わる。
　次に、上述した図３に示す制御ブロックで構成される歩行補助車１の動作制御について、フロ－チャートに基づいて説明する。図５は、本発明の実施の形態に係る歩行補助車１の制御基板３２のコントローラによるピッチ方向の転倒防止処理手順を示すフローチャートである。
　図５に示すように制御基板３２のコントローラは、ピッチ用モータ６の回転位置（角度）又は回転速度を検出するピッチ用エンコーダ６１の出力（パルス信号）のパルス数を計数する（ステップＳ５０１）。コントローラは、一対の車輪２の前進（又は後退）指示を回転速度のパルス信号として受け付ける（ステップＳ５０２）。
　コントローラは、前進（又は後退）指示のパルス信号のパルス数から、ピッチ用エンコーダ６１の出力（パルス信号）のパルス数を減算して得たパルス数に基づいて、ピッチ方向の回転速度偏差を算出する（ステップＳ５０３）。具体的には、減算して得たパルス数を回転角度に変換した後、微分して回転速度偏差を求める。コントローラは、ピッチ方向の回転速度偏差に基づいて目標とするピッチ方向の傾斜角度である目標ピッチ角を算出する（ステップＳ５０４）。
　コントローラは、算出した目標ピッチ角から後述するステップＳ５１２で推定したピッチ傾斜角の推定値を減じてピッチ角度偏差を算出し（ステップＳ５０５）、算出したピッチ角度偏差に比例ゲインを乗算して、目標ピッチ角速度ω2pを算出する（ステップＳ５０６）。
　コントローラは、算出した目標ピッチ角速度ω2pと、後述するステップＳ５１１で算出したピッチ角速度ω1pとのピッチ角速度偏差を算出し（ステップＳ５０７）、算出したピッチ角速度偏差に対してＰＩ制御等によりピッチ用トルク指令τ0pを生成する（ステップＳ５０８）。
　コントローラは、生成したピッチ用トルク指令τ0pを後述するステップＳ５１３で推定したピッチ方向外部トルクτ3pで補正し、ピッチ用トルク指令τ2pを生成する（ステップＳ５０９）。
　コントローラは、ピッチ用ジャイロセンサ５で出力されたピッチ角速度の出力をＡ／Ｄ変換して取得する（ステップＳ５１０）。コントローラは、取得したピッチ角速度の出力に変換係数を乗算してピッチ角速度ω1pを算出する（ステップＳ５１１）。
　コントローラは、（式１８）を用いて、算出したピッチ角速度ω1pと、上述したステップＳ５０９で生成したピッチ用トルク指令τ2pとから、釣合い状態から本体部３がピッチ方向へ傾斜している角度であるピッチ傾斜角を推定する（ステップＳ５１２）。コントローラは、推定したピッチ傾斜角に基づいて、釣合い状態からピッチ方向への傾斜によって生じるピッチ方向外部トルクを推定する（ステップＳ５１３）。
　コントローラは、ステップＳ５０９でピッチ用トルク指令τ2pを生成したか否かを判断する（ステップＳ５１４）。
　コントローラが、ピッチ用トルク指令τ2pを生成したと判断した場合（ステップＳ５１４：ＹＥＳ）、コントローラは、生成したピッチ用トルク指令τ2pに変換係数を乗算して指令電圧を算出する（ステップＳ５１５）。コントローラは、算出した指令電圧をＤ／Ａ変換し、ピッチ用モータ６を回転駆動するドライバに出力する（ステップＳ５１６）。コントローラは、処理をステップＳ５０１及びステップＳ５１０に戻し、上述した処理を繰り返す。
　一方、コントローラが、ピッチ用トルク指令τ2pを生成していないと判断した場合（ステップＳ５１４：ＮＯ）、本体部３は釣合い状態で前進／後退指示もない状態にあり、コントローラは、処理を終了する。上述した例は、前進指示又は後退指示を回転角度のパルス信号として受け付けた場合の処理手順を示しているが、前進指示又は後退指示として回転速度のパルス信号を受け付けた場合であっても、ピッチ角速度の偏差を求めることにより同様の処理手順でピッチ方向の傾斜角度の制御が可能となる。
　図１に戻って、本実施の形態に係る歩行補助車１は、被歩行補助者である老人、身障者等の歩行中の安定感を高めるために、補助輪８を備えていることが好ましい。補助輪８は、ピッチ方向に回転することが可能に一端を本体部３に連結してある支持部７の他端において、回転することが可能に支持されている。図１に示すように、一の補助輪８であっても良いし、ロール方向の安定度を高めるために一対の補助輪８であっても良い。
　支持部７の回転中心である支点１０の位置は、本体部３内であれば特に限定されるものではない。本体部３の転倒を防止することができれば足りるからである。
　また、支持部７の連結部又は補助輪８を回転させる電動モータ（第２駆動部）９を、支持部７の連結部に設けても良い。この場合、制御基板３２が第２制御部として機能する。例えばコントローラは、支持部７と本体部３との間でなす角度として目標角度θref の指定を事前に受け付けておき、支持部７と本体部３との間でなす角度θが目標角度θrefとなるよう電動モータ９の動作を制御する。支持部７と本体部３との間でなす角度θは、電動モータ９に内蔵された支持部角度エンコーダ９１で出力されるパルス信号から算出する。
　図６は、本発明の実施の形態に係る歩行補助車１の補助輪８を支持する支持部７の動作制御の一例を示す制御ブロック図である。図６に示すように、補助輪目標角度受付部６０１では、補助輪８を支持する支持部７と本体部３との間でなす角度θの目標角度θref の指定を受け付ける。
　また、ピッチ傾斜角推定部６０２は、ピッチ用ジャイロセンサ５で出力されたピッチ角速度 dφ／ dｔを積分することにより、ピッチ傾斜角φを推定する。そして、目標角度変化推定部６０３は、推定したピッチ傾斜角φに基づいて、補助輪８を支持する支持部７の目標角度変化 dθを推定する。具体的には、（式２２）を用いて、目標角度θref の角度変化 dθを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　（式２２）において、φ0 はピッチ傾斜角の釣合い角度を、φはピッチ傾斜角推定部６０２で推定したピッチ傾斜角を、それぞれ示す。また、θref は、補助輪目標角度受付部６０１で指定を受け付けた支持部７の目標角度である。
　支持部７と本体部３との間でなす角度θは、目標角度θref と目標角度変化 dθとの和として算出され、トルク指令生成部６０４は、支持部角度エンコーダ９１の出力（パルス信号）から算出された角度θと、算出した目標角度（θref ＋ dθ）との偏差に対して、例えばＰＩＤ制御によりトルク指令τを生成する。生成したトルク指令τに対して、変換係数を乗算して、指令電圧を算出し、ＤＡコンバータ等でドライバに指令電圧を出力し、電動モータ９の動作を制御する。
　図７は、本発明の実施の形態に係る歩行補助車１の電動モータ９による補助輪８の動作制御を説明する模式図である。図７（ａ）は、歩行補助車１に外力が付加されていない（静止している）場合の状態を示しており、図７（ｂ）は、外力が付加された場合の状態を示している。
　図７（ａ）に示すように、外力が付加されていない場合には、図５に示す処理によって本体部３のピッチ傾斜角φが釣合い角度φ0 で収束するようピッチ用モータ６の動作が制御される。本体部３が釣合い角度φ0 よりも大きく傾斜した場合、ピッチ用モータ６の動作により本体部３はピッチ傾斜角φを釣合い角度φ0 へと戻すので、本体部３は釣合い角度φ0を中心として揺動を繰り返す。さらに、補助輪８を支持する支持部７の角度θが目標角度θref となるように電動モータ９の動作を制御することで、ピッチ用モータ６による本体部３の揺動を抑制することができる。このとき、本体部３のピッチ方向の傾斜角度の変化に応じて補助輪８を支持する支持部７の目標角度を変更して、支持部７が本体部３を支持する力の割合を一定に保つように制御することで、支持部７からの本体部３に対する反力がピッチ用モータ６の動作制御を阻害しないようにする。
　一方、図７（ｂ）に示すように、急に大きな外力が付加された場合には、本体部３のピッチ傾斜角φは大きく変化する。制御基板３２のコントローラは、ピッチ傾斜角φが所定の閾値、例えばピッチ傾斜角φが２５度を超えたか否かを判断し、ピッチ傾斜角φが所定の閾値を超えたと判断した場合には、電動モータ９の動作の遅れ時間が大きくなるよう制御方程式の時定数を大きくしてある（遅れ制御）。このようにすることで、付加された外力に対する応答を遅くすることができ、動作を緩やかにすることができる。したがって、被歩行補助者が急に転倒しかけた場合など、急に大きな外力が付加された場合であっても、緩やかに本体部３の傾斜を元に戻すことにより、本体部３の挙動を大きく変化させることがなく、被歩行補助者である老人、身障者等の転倒するおそれを低減することができる。
　被歩行補助者が転倒するパターンとしては、歩行時の「前進方向への転倒」と「後退方向への転倒」とが想定される。そして、被歩行補助者と補助輪８、本体部３の一対の車輪２との相対的な位置関係によって、「前進方向への転倒」を防止することができるか、「後退方向への転倒」を防止することができるか、を変えることができる。
　図８は、補助輪８が、本体部３の一対の車輪２と被歩行補助者との間に位置する場合を示す模式図である。図８（ａ）に示すように、補助輪８が、本体部３の一対の車輪２と被歩行補助者８０との間に位置する場合、歩行時の「後退方向への転倒」については、補助輪８により転倒を防止することは容易である。しかし、図８（ｂ）に示すように、「前進方向への転倒」については、転倒を防止するべき補助輪８が浮き上がり、転倒を防止することができないおそれがある。
　図９は、本体部３の一対の車輪２が、補助輪８と被歩行補助者８０との間に位置する場合を示す模式図である。図９（ａ）に示すように、本体部３の一対の車輪２が、補助輪８と被歩行補助者８０との間に位置する場合、歩行時の「前進方向への転倒」については、補助輪８により確実に転倒を防止することができる。つまり、被歩行補助者８０と補助輪８、本体部３の一対の車輪２との相対的な位置関係を選択することにより、歩行時の「前進方向への転倒」を防止することができるか、「後退方向への転倒」を防止することができるか、を変えることができる。
　被歩行補助者８０と補助輪８、本体部３の一対の車輪２との相対的な位置関係を変える方法は特に限定されるものではないが、例えば把持部４を回転することが可能に本体部３の一端に設けても良い。図１０は、本発明の実施の形態に係る歩行補助車１の把持部４の本体部３への取付方法を説明するための模式図である。
　例えば図１０（ａ）又は図１０（ｂ）に示すように、本体部３と把持部４とを分離しておき、ネジ又はピン９０等で把持部４を本体部３へ固定する構成にしておけば良い。ネジ又はピン９０を緩めることで、把持部４を本体部３のヨー方向に回転させることができ、ヨー方向に１８０度回転させることにより把持部４の向きを１８０度変えることで、被歩行補助者８０と補助輪８、本体部３の一対の車輪２との相対的な位置関係を変更する。
　また、図１０（ｃ）に示すようにナット９５を用いて本体部３と分離している把持部４の向きを回転させて固定しても良いし、図１０（ｄ）に示すように本体部３と分離している把持部４の支柱部分に、指で押し込むことが可能な突起部４０を設けておき、把持部４の支柱部分が挿入される場合の突起部４０用の穴部を本体部３の同じ高さに複数設けておいても良い。突起部４０を押し込みながら把持部４の支柱部分を本体部３に挿入し、穴部でロックすることができる。１８０度回転させる場合は、突起部４０を押し込みながら把持部４を１８０度回転させて穴部でロックすれば良い。
　なお、図１０に示す把持部４は、高さの調整も容易である。例えば図１０（ａ）、（ｃ）については固定する位置の高さを調整することにより、図１０（ｄ）については高さを変えた複数の穴部を設けることにより、それぞれ容易に高さを変更することができる。また、図１０（ｂ）についても、把持部４の支柱部分の長さを変えることができる構造、例えば支柱部分がスライドすることが可能な構造にしておけば同様の効果が期待できる。
　また、支持部７を回転させる電動モータ９の代わりに、一又は一対の補助輪８に別途、回転モータを備え、補助輪８の回転を規制するようにしても良い。この場合、コントローラは、角度θが所定の閾値、例えば傾斜角度２５度を超えたか否かを判断し、角度θが所定の閾値を超えたと判断したときには、回転モータの回転を規制して補助輪８が回転しないように回転モータの動作を制御することができる。これにより、補助輪８がブレーキとして作用し、杖のように被歩行補助者８０を支持することも可能となる。
　図１１は、歩行補助車１の制御基板３２のコントローラによる、補助輪８を支持する支持部７のピッチ方向の角度制御処理の手順を示すフローチャートである。
　図１１に示すように制御基板３２のコントローラは、補助輪８を支持する支持部７と本体部３との間でなす角度として目標角度θref の指定を受け付け（ステップＳ１１０１）、ピッチ用ジャイロセンサ５で出力されたピッチ角速度をＡ／Ｄ変換して取得する（ステップＳ１１０２）。コントローラは、取得したピッチ角速度を積分してピッチ傾斜角φを推定し（ステップＳ１１０３）、（式２２）を用いて支持部７の目標角度θref の角度変化 dθを算出する（ステップＳ１１０４）。
　コントローラは、支持部角度エンコーダ９１の出力（パルス信号）のパルス数を計数し（ステップＳ１１０５）、支持部角度エンコーダ９１の出力（パルス信号）から算出された支持部７の角度θと、支持部７の目標角度（θref ＋ dθ）との偏差を取得する（ステップＳ１１０６）。コントローラは、支持部７の角度θと支持部７の目標角度（θref ＋ dθ）との偏差を用いて、支持部７をピッチ方向に回転させるピッチ方向外部トルクを推定する（ステップＳ１１０７）。
　コントローラは、推定したピッチ方向外部トルクに基づいて、ピッチ用トルク指令を生成し（ステップＳ１１０８）、生成したピッチ用トルク指令に変換係数を乗算して指令電圧を算出する（ステップＳ１１０９）。コントローラは、算出した指令電圧をＤ／Ａ変換し、電動モータ９を回転駆動するドライバに出力する（ステップＳ１１１０）。コントローラは、ステップＳ１１０１からステップＳ１１１０までの処理を繰り返し実行する。
　以上のように、本実施の形態によれば、本体部３の角度変化が０（ゼロ）となるようピッチ用モータ６の動作を制御することにより、本体部３のピッチ方向の傾斜角を、本体部３が倒れこまないよう均衡を保持することが可能な平衡角度に収束するよう制御することができ、被歩行補助者８０である老人、身障者等が特に意識して外力を加えることなく安定して歩行を補助することが可能となる。また、被歩行補助者８０である老人、身障者等が把持部４に体重をかけてもたれた場合であっても、補助輪８により本体部３が傾斜することを抑制することができ、より安全に歩行を補助することが可能となる。さらに、急に大きな外力が付加されて被歩行補助者８０が転倒しかけた場合であっても、本体部３の挙動を大きく変化させることがなく、被歩行補助者８０である老人、身障者等の転倒するおそれを低減することが可能となる。
　また、本発明を実施するに際して、外出時の使用等を考慮した場合、駆動源として電池３３を用いることが自然である。駆動源として電池３３を用いる場合、常にピッチ用モータ６、電動モータ９の動作制御をするのでは、電池３３の消耗が激しく、長時間使用できない可能性がある。
　そこで、例えばコントローラが、ピッチ傾斜角φが所定の閾値を超えていないと判断した場合には、電動モータ９、又は電動モータ９の動作を制御する第２制御部への電力供給を行わない（第２駆動部（電動モータ９）の制御を行わない）ようにすることにより、消費電力の低減を図ることができる。
　さらに、支持部７の回転を拘束するブレーキ機構（拘束機構）と、使用者から把持部４への入力の有無を検出する検出手段とを設けておき、使用者から把持部４への入力が一定時間（例えば１０秒間）以上ないと判断した場合には、ブレーキ機構を機能させる代わりに、電動モータ９、もしくは電動モータ９の動作を制御する第２制御部への電力供給を行わない（第２駆動部（電動モータ９）の制御を行わない）ようにすることにより、消費電力の低減を図ることもできる。
　また、ピッチ用モータ６、もしくはピッチ用モータ６の動作を制御する第１制御部への電力供給を行わないようにしても良い。歩行補助車の姿勢を支持部７によってのみ維持することができ、第１駆動部（ピッチ用モータ６）の制御に要する電力消費を抑制することができる。
　使用者から把持部４への入力の有無を検出する検出手段としては、ピッチ用ジャイロセンサ５からの出力信号を用いても良いし、別途、把持部４に接触センサを設け、使用者が把持部４に触れたかどうかを検出するようにしても良い。
　なお、上述した実施の形態は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することができることは言うまでもない。例えば、ピッチ用モータ６を一対の車輪２に１個設けることに限定されるものではなく、車輪ごとに１個ずつピッチ用モータを設けても良い。同様にブレーキ機構（拘束機構）についても支持部７の連結部に設けることに限定されるものではなく、一対の車輪２に他の拘束機構を１個設けても良いし、車輪２ごとに１個ずつ設けても良い。また、ピッチ用ジャイロセンサ５として、角速度センサを用いる場合について説明しているが、角加速度センサ、傾斜センサ等であっても良いし、これらを複数組み合わせても良い。
　１　歩行補助車
　２　車輪
　３　本体部
　４　把持部
　５　ピッチ用ジャイロセンサ（センサ部）
　６　ピッチ用モータ（第１駆動部）
　７　支持部
　８　補助輪
　９　電動モータ（第２駆動部）
　１０　支点
　３１　フレーム
　３２　制御基板（第１制御部、第２制御部）
　３３　電池
　６１　ピッチ用エンコーダ
　９１　支持部角度エンコーダ

Claims (12)

  1. 　一対の車輪と、
    　該一対の車輪を駆動する一又は複数の第１駆動部と、
    　前記一対の車輪を回転することが可能に支持する本体部と、
    　該本体部の一端に把持することが可能に設けられている把持部と
    　を備える歩行補助車において、
    　前記本体部のピッチ方向の傾斜角の角度変化を検出するセンサ部と、
    　該センサ部の出力に基づいて、前記本体部の角度変化が０（ゼロ）となるよう前記一又は複数の第１駆動部の動作を制御する第１制御部と
    　を備えることを特徴とする歩行補助車。
  2. 　前記センサ部は、角速度センサ、傾斜センサ、角加速度センサのうち少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項１に記載の歩行補助車。
  3. 　前記本体部は、ピッチ方向に回転することが可能に一端を連結してある支持部を有し、
    　該支持部は、他端に回転することが可能な一又は一対の補助輪を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の歩行補助車。
  4. 　前記把持部は、前記本体部のヨー方向に回転することが可能に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の歩行補助車。
  5. 　前記支持部の連結部もしくは前記一又は一対の補助輪を回転させる第２駆動部と、
    　該第２駆動部を制御する第２制御部と
    　を備え、
    　該第２制御部は、
    　前記支持部と前記本体部との間でなす角度として目標角度の指定を受け付け、
    　前記センサ部の出力に基づいて、前記支持部と前記本体部との間でなす角度が前記目標角度となるよう前記第２駆動部の動作を制御することを特徴とする請求項３又は４に記載の歩行補助車。
  6. 　前記第２駆動部が前記支持部の前記連結部に設けてあり、
    　前記第２制御部は、
    　前記センサ部の出力変化が所定の閾値を超えたか否かを判断し、前記センサ部の出力変化が所定の閾値を超えたと判断した場合、前記支持部と前記本体部との間でなす角度の変化を抑制するよう遅れ制御することを特徴とする請求項４又は５に記載の歩行補助車。
  7. 　前記第２駆動部が前記支持部の前記連結部に設けてあり、
    　前記第２制御部は、
    　前記センサ部の出力変化又は前記第２駆動部のエンコーダ出力変化が所定の閾値を超えたか否かを判断し、前記センサ部の出力変化又は前記第２駆動部のエンコーダ出力変化が所定の閾値を超えていないと判断した場合、前記第２駆動部の制御を行わないことを特徴とする請求項４又は５に記載の歩行補助車。
  8. 　前記支持部の回転を拘束する拘束機構と、
    　使用者から前記把持部への入力の有無を検出する検出手段と
    　を有し、
    　該検出手段が、前記把持部への入力がないと検出した場合に、前記拘束機構により前記支持部の回転を停止させることを特徴とする請求項３及至７のいずれか一項に記載の歩行補助車。
  9. 　前記検出手段は、前記センサ部の出力変化が一定時間以上ないと判断した場合、前記把持部への入力がないと検出することを特徴とする請求項８に記載の歩行補助車。
  10. 　前記検出手段は、前記把持部に設けられている接触センサであることを特徴とする請求項８に記載の歩行補助車。
  11. 　前記拘束機構により前記支持部の回転を停止させる際に、前記第１制御部が前記第１駆動部の制御を行わないことを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の歩行補助車。
  12. 　前記拘束機構により前記支持部の回転を停止させる際に、前記一対の車輪のうち少なくとも一方の車輪の回転を停止させる他の拘束機構をさらに有することを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか一項に記載の歩行補助車。
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