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【発明の名称】 補助動力式車椅子
【発明者】 【氏名】内山 敦

【氏名】尾方 宏彰

【氏名】戸倉 賢治
【要約】 【課題】使用者個別の仕様設定を不要にでき、部品点数が増加するのを防止してコストを低減することができ、また、片手漕ぎ操作での走行性能を向上することができる補助動力式車椅子を提供する。

【解決手段】人力と、該人力に基づいて求めた補助動力との合成力により走行するようにした補助動力式車椅子１において、左，右の車輪に加えられた人力ＦＬ，ＦＲを検出するポテンショメータ７２と、補助動力を発生するモータ３１と、上記左，右の車輪に加えられた人力の合力（ＦＬ＋ＦＲ）をＦｔｍとするとき、上記左，右の車輪に加えられる補助動力ＴＬ，ＴＲがＴＬ＝ｋ１l ・ＦＬ＋ｋ２l ・ＦＲ＋ｋｍ・Ｆｔｍ（式１）
【特許請求の範囲】
【請求項１】 車両の進行方向に向かって左右に配置された二つの車輪の何れか一方または両方に加えられた人力と、該人力に基づいて求めた補助動力との合成力により車両の前後進及び旋回動作を行うようにした補助動力式車椅子において、上記左，右の車輪に加えられた人力ＦＬ，ＦＲを検出する人力検出手段と、補助動力を発生する補助動力源と、上記左，右の車輪に加えられた人力の合力（ＦＬ＋ＦＲ）をＦｔｍとするとき、上記左，右の車輪に加えられる補助動力ＴＬ，ＴＲが ＴＬ＝ｋ１l ・ＦＬ＋ｋ２l ・ＦＲ＋ｋｍ・Ｆｔｍ（式１）
ＴＲ＝ｋ１r ・ＦＲ＋ｋ２r ・ＦＬ＋ｋｍ・Ｆｔｍ（式２）
（ｋ１l,ｋ１r ：自輪成分比率、ｋ２l , ｋ２r ：相手輪成分比率、ｋｍ：重心成分比率）で設定された量となるように上記補助動力源を制御する補助動力制御手段とを備えたことを特徴とする補助動力式車椅子。
【請求項２】 請求項１において、上記左，右輪に加えられる人力ＦＬ，ＦＲが予め設定した比率を有する場合に、上記補助動力制御手段は、それぞれの車輪に加えられる人力トルクτＬ，τＲと、上記補助動力ＴＬ，ＴＲとの合力が等しくなるように上記ｋ１l,ｋ１r （自輪成分比率）、ｋ２l , ｋ２r （相手輪成分比率）を定めて上記補助動力ＴＬ，ＴＲを求め、該ＴＬ，ＴＲを目標値として上記補助動力源を制御することを特徴とする補助動力式車椅子。
【請求項３】 請求項１において、上記左，右輪に加えられる人力ＦＬ，ＦＲの少なくとも何れか一方が任意である場合に、上記補助動力制御手段は、それぞれの車輪に加えられる人力トルクτＬ，τＲと、上記補助動力ＴＬ，ＴＲとの合力が等しくなるように上記ｋ１l,ｋ１r （自輪成分比率）、ｋ２l , ｋ２r （相手輪成分比率）を定めて上記補助動力ＴＬ，ＴＲを求め、該ＴＬ，ＴＲを目標値として上記補助動力源を制御することを特徴とする補助動力式車椅子。
【請求項４】 請求項１ないし３の何れかにおいて、上記補助動力制御手段は、重心成分ｋｍ・Ｆｔｍを、人力供給停止後においても残存させ、かつ時間経過とともに減衰させることを特徴とする補助動力式車椅子。
【請求項５】 請求項１ないし４の何れかにおいて、上記左，右輪の少なくとも何れか一方に、人力トルクを上記人力検出手段により検出されることなく車輪に入力するハンドリムを設け、上記補助動力制御手段は、上記目標補助動力が発生するように上記補助駆動源に供給する電流値を制御することを特徴とする補助動力式車椅子。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、車両の進行方向に向かって左右に配置された二つの車輪の何れか一方または両方に加えられた人力と、該人力に基づいて求めた補助動力との合成力により車両の前後進及び旋回動作を行うようにした補助動力式車椅子に関する。
【０００２】
【従来の技術】手動車椅子と電動車椅子との中間的な存在として補助動力付き車椅子が提案されている。この補助動力付き車椅子は、左，右の車輪に間欠的に加えられる人力を検出し、該検出された人力に応じた補助動力を左，右の車輪に加えることによって歩行の不自由な使用者の肉体的な負担を軽減するものであり、使用者は手動車椅子の感覚で操作することができ、精神的苦痛も緩和される。
【０００３】しかし、上記従来の補助動力付き車椅子は左，右の車輪に同等の人力が加えられることを前提にしているため、使用者が両手の操作力がアンバランスであったり、片方の手だけでしか操作が行えない場合には、上記従来の補助動力付き車椅子は操作性が低いという問題がある。
【０００４】例えば、従来の補助動力付き車椅子を片方の手で操作する（以下、片手漕ぎ操作と記す）場合、車椅子が蛇行しないように足で路面を蹴って進行方向を規制する必要がある。このように従来の補助動力付き車椅子は、片手漕ぎ操作では直進時の使い勝手が悪いという問題がある。
【０００５】また、片手漕ぎ操作では左, 右何れかに旋回する場合は、片方の足により旋回方向を制御することが必要である。具体的には、右に曲がる時は、足を操舵手段として車椅子の前方路面を蹴って車椅子を右方に回頭させることが必要である。このように、従来の補助動力付き車椅子は、片手漕ぎ操作では旋回時の使い勝手が悪いという問題がある。
【０００６】これらの問題を解決するものとして本願出願人は、一方の車輪に人力が加えられると、該人力に基づいて設定された補助動力が一方の車輪に加えられるとともに、該一方の車輪に作用する人力と補助動力との和と同等の補助動力が他方の車輪に加えられるようにしたもの（特開平７−１３６２１８号公報参照）を提案している。
【０００７】上記提案装置では、使用者が片方の手で一方の車輪に人力を加えると、該一方の車輪に作用する人力と補助動力との和と同等の補助動力が他方の車輪に供給されるため、片手漕ぎ操作の場合でも蛇行することなく容易に直進することができ、足による直進制御を不要にすることができる。
【０００８】また、片手漕ぎ操作の場合の旋回時の使い勝手を向上するものとして、本願出願人は、使用者の旋回の意志を検出する旋回意志検出手段として機能するフートスイッチを右側のステップに設け、該スイッチにより補助力の供給先を指定して、旋回を容易にするもの（特開平７−１３６２１９号公報参照）を提案している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来のフートスイッチにより補助力の供給先を設定して、旋回方向を指定するようにしたものでは、上記フートスイッチの取り付け位置を、使用者の身体的特徴に応じて個別に設定する必要があり、また、このスイッチやスイッチ操作に係る制御装置等が必要となるため、それだけ製造コストがかさむという問題がある。
【００１０】また、一方の車輪に作用する人力と補助動力との和と同等の補助動力を他方の車輪に供給するものでは、ハンドリムに人力か印加されている間は両輪から推進力が発生するが、次のストロークのためにハンドリムを持ち替える間は両輪とも推進力が消滅してしまうので、例えば右輪を漕いで坂道を直進登坂している時に、足により右旋回しようとすると左輪に供給される駆動力が登坂旋回に必要なトルクより小さくなって走行自体が不能になる場合が発生するという問題もある。
【００１１】本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、使用者個別の仕様設定を不要にでき、部品点数が増加するのを防止してコストを低減することができ、また、片手漕ぎ操作での走行性能を向上することができる補助動力式車椅子を提供することを課題としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、車両の進行方向に向かって左右に配置された二つの車輪の何れか一方または両方に加えられた人力と、該人力に基づいて求めた補助動力との合成力により車両の前後進及び旋回動作を行うようにした補助動力式車椅子において、上記左，右の車輪に加えられた人力ＦＬ，ＦＲを検出する人力検出手段と、補助動力を発生する補助動力源と、上記左，右の車輪に加えられた人力の合力（ＦＬ＋ＦＲ）をＦｔｍとするとき、上記左，右の車輪に加えられる補助動力ＴＬ，ＴＲが ＴＬ＝ｋ１l ・ＦＬ＋ｋ２l ・ＦＲ＋ｋｍ・Ｆｔｍ（式１）
ＴＲ＝ｋ１r ・ＦＲ＋ｋ２r ・ＦＬ＋ｋｍ・Ｆｔｍ（式２）
（ｋ１l,ｋ１r ：自輪成分比率、ｋ２l , ｋ２r ：相手輪成分比率、ｋｍ：重心成分比率）で設定された量となるように上記補助動力源を制御する補助動力制御手段とを備えたことを特徴としている。
【００１３】ここで本発明において、上記各比率ｋ１l ，ｋ１r 、ｋ２l ，ｋ２r ，ｋｍは、使用者の可能な操作状況等に応じて適宜設定される。例えば、使用者が左，右両方の車輪に同じ人力を供給できる場合には、ｋ１l ＝ｋ１r 、ｋ２l ＝ｋ２rの関係に設定され、また使用者の左，右の操作力がアンバランスであり、例えば左腕が右腕よりも強い場合には、請求項２の発明の如く設定され、さらに使用者が一方の手だけでしか操作できない場合には請求項３の発明の如く設定される。
【００１４】請求項２の発明は、請求項１において、上記左，右輪に加えられる人力ＦＬ，ＦＲが予め設定した比率を有する場合に、上記補助動力制御手段は、それぞれの車輪に加えられる人力トルクτＬ，τＲと、上記補助動力ＴＬ，ＴＲとの合力が等しくなるように上記ｋ１l,ｋ１r （自輪成分比率）、ｋ２l , ｋ２r （相手輪成分比率）を定めて上記補助動力ＴＬ，ＴＲを求め、該ＴＬ，ＴＲを目標値として上記補助動力源を制御することを特徴としている。
【００１５】請求項３の発明は、請求項１において、上記左，右輪に加えられる人力ＦＬ，ＦＲの少なくとも何れか一方が任意である場合に、上記補助動力制御手段は、それぞれの車輪に加えられる人力トルクτＬ，τＲと、上記補助動力ＴＬ，ＴＲとの合力が等しくなるように上記ｋ１l,ｋ１r （自輪成分比率）、ｋ２l , ｋ２r（相手輪成分比率）を定めて上記補助動力ＴＬ，ＴＲを求め、該ＴＬ，ＴＲを目標値として上記補助動力源を制御することを特徴としている。
【００１６】ここで請求項２の発明は、使用者の左，右の操作可能力にアンバランスがある場合の例であり、例えば、左腕が右腕よりも強い場合にはｋ１l ＜ｋ１r 、ｋ２l ≦ｋ２r の関係に設定される。また請求項３の発明は、使用者が左，右何れかのみ自由に操作できる場合の例であり、例えば、左腕のみが操作可能である場合には０≦ｋ１l ≪ｋ１r 、ｋ２l ≦ｋ２r の関係に設定される。
【００１７】請求項４の発明は、請求項１ないし３の何れかにおいて、上記補助動力制御手段は、重心成分ｋｍ・Ｆｔｍを、人力供給停止後においても残存させ、かつ時間経過とともに減衰させることを特徴としている。
【００１８】請求項５の発明は、請求項１ないし４の何れかにおいて、上記左，右輪の少なくともいずれか一方に、人力トルクを上記人力検出手段により検出されることなく車輪に入力するハンドリムを設け、上記補助動力制御手段は、上記目標補助動力が発生するように上記補助駆動源に供給する電流値を制御することを特徴としている。
【００１９】
【発明の作用効果】請求項１の発明に係る補助動力式車椅子によれば、左，右車輪に加えられる補助動力ＴＬ，ＴＲを ＴＬ＝ｋ１l ・ＦＬ＋ｋ２l ・ＦＲ＋ｋｍ・Ｆｔｍ（式１）
ＴＲ＝ｋ１r ・ＦＲ＋ｋ２r ・ＦＬ＋ｋｍ・Ｆｔｍ（式２）
により設定するようにしたので、上記各比率ｋ１l , ｋ１r 、ｋ２l ，ｋ２r を適宜設定することにより、人力ＦＬ，ＦＲによるトルクτＬ，τＲと、上記式１，式２におけるＴＬ，ＴＲとの合計を同じ大きさにすることが可能であり、その結果、使用者が左，右車輪に同じ操作力を加えることができる場合は勿論のこと、左，右の操作力にアンバランスがある場合、さらには片方の手でしか操作できない場合でも容易に直進走行することができ、使用者の負担を軽減できる効果がある。この場合に、重心成分ｋｍ・Ｆｔｍを供給するようにしたので、つまりあたかも車両の重心に補助力を供給するようにしたので、この点からも車両の直進性を確保できる。
【００２０】請求項２の発明によれば、使用者の左，右操作可能力にアンバランスがある場合には、該アンバランスに応じて人力ＦＬ，ＦＲに基づく補助動力ＴＬ，ＴＲと、人力トルクτＬ，τＲとのそれぞれの合計が等しくなるように上記各比率を設定したので、直進性及び旋回性を確保できる。例えば、左碗による操作可能力５に対して右腕による操作可能力２の場合には、ｋ１l (0.04)＜ｋ１r(0.25)、ｋ２l(0.15) ≦ｋ２r(0.15) と設定することにより、左，右の合計駆動力を等しくすることができ、直進性を確保できる。
【００２１】また請求項３の発明によれば、使用者が左，右何れかのみ操作可能である場合には、該操作可能の側に応じて人力ＦＬ，ＦＲに基づく補助動力ＴＬ，ＴＲと、人力トルクτＬ，τＲとのそれぞれの合計が等しくなるように上記各比率を設定したので、直進性及び旋回性を確保できる。例えば、左碗のみが操作可能の場合には、０≦ｋ１l(0)≪ｋ１r(0.25) 、ｋ２l(0.25) ≦ｋ２r(0.25) と設定することにより、左，右の合計駆動力を等しくすることができ、直進性を確保できる。
【００２２】請求項４の発明に係る補助動力式車椅子によれば、重心成分ｋｍ・Ｆｔｍを、人力供給停止後においても残存させるとともに時間経過とともに減衰させるようにしたので、人力供給停止後には、仮想の運動量が重心に保持されたとみなすことができ、旋回中に使用者がハンドリムから手を離した時の車椅子の向いた方向に直進惰行することとなり、手動車椅子と同様の操作感を実現できる効果があり、また登坂中においては人力の入力停止後に急激に減速して止まってしまう等の問題を回避でき、登坂性能を向上できる効果がある。
【００２３】請求項５の発明に係る補助動力式車椅子によれば、人力トルクを人力検出手段により検出されることなく車輪に入力するハンドリムを設けたので、このハンドリムに人力を前進方向にあるいは後進方向に加えた場合には、上記補助動力の演算に影響を与えることがなく、また駆動モータを電流制御することにより上記目標補助動力を発生するようにしたので、旋回により左，右車輪の回転速度が変化した場合でも上記補助トルクが変化することはない。従って、例えば左の上記ハンドリムに前進方向の人力を加えた場合には進行方向を右側に修正でき、後進方向の人力を加えた場合には進行方向を左側に修正でき、従来の片足接地による操舵操作に比較して操作性を大きく向上できる効果がある。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１ないし図１９は本発明の一実施形態による補助動力式車椅子を説明するための図であり、図１，図２，図３は上記車椅子の側面図，平面図，背面図、図４は上記車椅子の車輪のハブ部分のカバーを取り外した状態を示す正面図、図５は図４のＶ−Ｖ線断面図、図６〜図９は回転トランスを示す図、図１０は車輪に取り付けられたハンドリムを示す図５と同方向の断面図、図１１は上記車椅子の制御システムの全体構成図、図１２，１３はモータの回転数とトルクとの関係を示す特性図、図１４〜図１６は上記車椅子の補助動力の制御動作を説明するためのフローチャート図、図１７は上記車椅子の補助動力の制御動作を示すシステムの構成図、図１８は進行方向と検出トルクとの関係を示す特性図、図１９は入力信号と目標トルクとの関係を示す特性図である。
【００２５】本実施形態に係る補助動力付車椅子１は、既存の折り畳み式手動車椅子に補助動力装置(Power Assist System) を組み付けたものである。この車椅子１は車体の左右に駆動輪としての車輪２を着脱自在に取り付けて構成され、これのパイプ枠状のフレーム３の前後部は左右一対のキャスタ４と車輪２によって移動自在に支持されている。
【００２６】上記フレーム３の中央部には、乗員が着座すべき布製のシート５（図２及び図３参照）が張設されている。尚、フレーム３は図３に示すように前後一対のクロス部材３ａを有しており、Ｘ字状を成す２本のクロス部材３ａはその交点を軸６によって枢着されている。
【００２７】上記フレーム３の後部には左右一対のハンドルアーム３ｂが立設されており、各ハンドルアーム３ｂの上端部は後方に折曲され、その折曲部には介助者用のグリップ７が取り付けられている。
【００２８】上記フレーム３の上記ハンドルアーム３ｂの中間高さ位置から車体前方に水平に延びる左右一対のアーム３ｃはその前端部が略直角に折り曲げられて垂直下方に延び、その下端部に上記キャスタ４が回転自在に支持されている。右側（シート５に着座した乗員にとって右側）のアーム３ｃの直角に折り曲げられた部分（垂直部分の上部）にメインスイッチ８が取り付けられている。そして、上記アーム３ｃの下方に配された左右一対のアーム３ｄの前側部分は車体前方に向かって斜め下方に延出されており、その延出端（前端部）には左右一対のステップ９が取り付けられている。
【００２９】上記車輪２は、使用者の手によって回転力（人力トルク）が加えられるハンドリム組立体７０と、該ハンドリム組立体７０から入力された人力トルクに応じたモータ駆動力（補助動力）を出力する駆動部２０とを備えている。
【００３０】そして上記フレーム３の車輪中心部にはボス１１が螺挿され、ナット２２ａにより締め付け固定されている。該ボス１１の軸芯部には車軸２２が着脱可能に嵌合挿入されている。該車軸２２は中空状のもので、その軸芯部には車輪着脱用のシャフト２３が軸方向へ移動可能に挿入されている。該シャフト２３の両端部には他の部分よりも大径な頭部２３ａ，２３ｂがそれぞれ固着されている。右側の頭部２３ａの内側端にはコイルバネ２４が配置され、該シャフト２３を車軸２２に対して右側へ付勢している。また、車軸２２には、複数のボール２５，・・・がボス１１の外端部により外周側に抜け出ないようかつ半径方向に移動可能に収容されている。各ボール２５は、シャフト２３の頭部２３ａの大径部２３ｃによって押し拡げられることにより車軸２２の外周から僅かに突出し、これにより、車軸２２は、ボス１１から抜けないようになっている。また、シャフト２３を車軸２２に対して図５の左側へ相対的に移動させることにより、頭部２３ａの小径部２３ｄがボール２５の位置に移動し、ボール２５が内側へ移動できる状態となる。これにより、車軸２２をボス１１から図５の左側へ抜き出すことができ、車輪２全体をフレーム３から取り外すことができる。
【００３１】上記車軸２２は、略有底円筒状をなす固定プレート３０の中心部を貫通してこれを支持しており、該固定プレート３０には、図示しない回り止め部材が取り付けられている。回り止め部材は、フレーム３と係合することにより、固定プレート３０がフレーム３に対して回転するのを阻止している。
【００３２】また、上記車軸２２により、略有底円筒状をなす回転側部材としてのハブ５０が軸受５１を介して回転自在に支持されている。このハブ５０の内面には内歯ギヤ５２が固定されており、該内歯ギヤ５２には中間軸３６に一体形成された中間ギヤ３６ａが噛合しており、該中間軸３６は固定側部材としての固定プレート３０の底面に回転自在に支持されている。該中間軸３６は、これに固着された中間プーリ３３，及びベルトを介して上記固定プレート３０に取り付けられた駆動用モータ（補助動力源）３１により回転駆動され、その結果上記ハブ５０が回転する。
【００３３】上記ハブ５０には、上記ハンドリム組立体７０が所定角度だけ相対回転可能に支持されている。このハンドリム組立体７０は、使用者がハンドリム１３に加える接線方向力（人力：単位ｋｇ）をハブ５０に伝達するとともに、加えられる人力を検出する機能を有している。以下、使用者が加える人力を検出する構成について説明する。
【００３４】図４及び図５において符号７１は、ハンドリム組立体７０の中心部を構成するディスクであり、該ディスク７１は、内輪部７１ａと外輪部７１ｂとを３本のスポーク部７１ｃで一体的に連結した構造を有し、３本のスポークパイプ１５により上記ハンドリム１３に結合されている。また上記ディスク７１はブッシュ５５を介して上記ハブ５０のボス部５０ａにより相対回転可能に支持されている。なお、１２０は上記ディスク７１にスポークパイプ１５を取り付けるためのボルトを示している。
【００３５】上記ディスク７１のスポーク部７１ｃ，７１ｃ間には、ポテンショメータ７２が配置され、上記ハブ５０の底部５０ｂの外面に半径方向の位置を調整可能に取り付けられている。該ポテンショメータ７２の入力軸７２ａは上記底部５０ｂの内面に突出し、該突出部に長孔７３ａを有するレバー７３が取り付けられている。該レバー７３の長孔７３ａには、ディスク７１に固定されたピン５３が挿入されている。この構成のもとに、ハブ５０とハンドリム組立体７０との相対角度が基準位置から変化すると、ポテンショメータ７２の入力軸７２ａが回転し、そのインピーダンスが回転角度に応じて変化する。
【００３６】上記スポーク部７１ｃに形成された矩形孔７１ｄ内にはバネガイド５４が配置され、上記ハブ５０の底部５０ｂにボルト締め固定されており、該バネガイド５４内にはコイルバネ５６が収容配置されている。該コイルバネ５６の両端部はスライダ５７を介してスポーク部７１ｃの矩形孔７１ｄの内縁に当接している。この構成のもとに、ハンドリム組立体７０を車輪２に対して相対回転させると、この相対回転角度が後述する人力検出装置によって検出される。
【００３７】また符号５８はハブ５０とディスク７１との間のガタ止めとして機能する樹脂製のダンパ部材である。このダンパ部材５８は上記バネガイド５４に形成された凸部５４ａの内側に装着されて上記ディスク７１の外輪部７１ｂに対向しており、ボルト５８ａを締め込むことにより上記外輪部７１ｂに摺接し、ハブ５０とディスク７１間のガタを防止する。なお、符号７１ｅは上記ポテンショメータ７２等を覆うカバーであり、図４はこのカバー７１ｅを取り外した状態を示している。
【００３８】また符号１００は、上記人力に応じてモータ３１による補助動力を制御する後述のコントローラであり、これは上記固定プレート３０の底部３０ｂの内面に配設されており、このコントローラ１００のＣＰＵ１２６が本発明の補助動力制御手段として機能する。
【００３９】次に、人力検出装置の構成を説明する。符号８０は差動回転トランスであり、これは固定プレート３０の中心のボス部３０ａに取り付けられたアウタートランス８１と、可動プレート５０の中心のボス部５０ａに取り付けられたインナートランス８２とから構成されている。
【００４０】上記アウタートランス８１は、非磁性体かつ絶縁体の樹脂からなる円筒状のボビン８３の外周面に２条の巻溝８３ａ，８３ｂを凹設し、各巻溝８３ａ，８３ｂに１次コイル８４ａ，８４ｂを巻回して構成されている。
【００４１】また、上記インナートランス８２は、磁性体（例えば軟鉄等の金属）からなる円筒状のコア８５の外周面に２条の保持溝８５ａ，８５ｂを凹設し、該保持溝８５ａ，８５ｂ内に、樹脂製で外周面に凹設された巻溝８６ａ，８７ａに２次コイル８９ａ，８９ｂが巻回されたボビン８６，８７を装着して構成されている。
【００４２】なお、８６ｂ，８７ｂはボビン８６，８７に形成されたスリット、９０はターミナルであり、各２次コイル８９ａ，８９ｂの端部８９ａ′，８９ｂ′は上記スリット８６ｂ，８７ｂを通って外部に引き出され、上記ターミナル９０に巻き付けられる。
【００４３】ここで上記アウタートランス８１は、外部磁界を遮断する機能を有する磁性体製のコアを備えていないので、外部金属の影響による磁気的アンバランスを抑制できるように配置することが望ましい。本実施形態では、１次コイル８４ａからハブ５０の底部５０ｂまでの磁気的距離（磁気的影響を考慮した場合の距離）と、１次コイル８４ｂから固定プレート３０の底部３０ｂまでの磁気的距離をできる限り均等にするために、該アウタートランス８１の幅方向中心線Ｄを車輪の幅方向中心線Ｂに対し固定プレート３０側に寸法Ｃだけ偏位させている。
【００４４】即ち、一般的にはアウタートランス８１の幅方向中心Ｄを車輪幅方向中心Ｂと一致させるのであるが、このようにすると１次コイル８４ａからハブ５０の底部５０ｂまでの距離と、１次コイル８４ｂから固定プレート３０の底部３０ｂまでの距離との差が拡大してしまう。
【００４５】上記左，右のポテンショメータ７２，７２により検出された左，右輪２，２への人力は左，右の回転トランス８０，８０を介して上記コントローラ１００に入力され、該コントローラ１００は所定の処理手順に従って上記人力に応じた補助動力が得られるよう上記モータ３１への供給電流を制御する。
【００４６】そして本実施形態では、図５，図１０に示すように、人力を上記左，右のポテンショメータ７２，７２で検出されることなく車輪２に直接伝達するための直接駆動用のハンドリム１２１が、ボルト１２２，ブラケット１２３を介して車輪２に取り付けられている。即ち、ハンドリム１３から入力された人力は上記ポテンショメータ７２により検出され、補助動力を求める場合の人力とされるが、ハンドリム１２１から入力された人力は補助動力を求める場合の演算に関与しない。
【００４７】また、上記補助動力式車椅子１の右側の車輪２側には、バッテリ１２４が脱着可能に取り付けられており、車体（フレーム）３側には、上記バッテリ１２４から電源が供給されるワイヤーハーネス５９が設置されている。
【００４８】前述のように左右の車輪２は同一構造を有しているため、これらを車体に取り付けると、これらは車体前後方向中心廻りに点対称となる位置関係を保って配置されることとなる。同一構造の左右の車輪２をこのように配置することによって、図３に示すように、左右の車輪２の各内側方に突出する駆動モータ３１が上下方向に互いに段差をもって配されることとなり、当該車椅子１を折り畳んだ際に両駆動モータ３１が互いに干渉することがなく、この結果、車椅子１をコンパクトに、且つ、容易に折り畳むことができる。
【００４９】上記左右の車輪２を上記要領で車体に取り付けた後は、図３に示すように、各車輪２の固定プレート３０に取り付けられたカプラー３７に、車体側に設置された上記ワイヤーハーネス５９のカプラー５９ａを接続すれば、右側の車輪２に配置された上記バッテリ１２４から左側の車輪２に設けられた駆動モータ３１やコントローラ１００等への給電がワイヤーハーネス５９を介してなされる。
【００５０】上記左，右車輪２，２のハンドリム１３，１３に人力ＦＬ，ＦＲが加えられると該各人力は左，右のポテンショメータ７２，７２によって検出され、その検出信号は上記コントローラ１００, １００に入力される。
【００５１】次に、上記コントローラ１００の構成を図１１に基づいて説明する。図１１は左，右のコントローラ１００の構成を示すブロック図であり、該各コントローラ１００は、ハンドリム１３に加えられポテンショメータ７２によって検出された人力を回転トランス８０を介して入力するセンサドライブＩ／Ｆ１２５と、該入力された人力に基づいて補助動力の目標値（目標トルク）を演算するＣＰＵ１２６と、該ＣＰＵ１２６と駆動モータ３１とを接続するモータ出力Ｉ／Ｆ１２７と、モータ３１の出力が上記演算された目標トルクとなるように該モータ３１に供給される電流値をフィードバック制御するモータドライバ１２８と、上記左, 右のＣＰＵ１２６，１２６同士を接続する通信Ｉ／Ｆ１２９とを備えている。
【００５２】また、本実施形態の左, 右の通信Ｉ／Ｆ１２９，１２９同士はシリアルケーブル１３０で接続されており、上述のように入力された左右の人力の大きさはこの通信Ｉ／Ｆ１２９，１２９を介して左右のコントローラ１００，１００に互いに伝達されるようになっている。
【００５３】上記左, 右のＣＰＵ１２６, １２６は、ポテンショメータ７２から出力された入力信号に対し所要のアシスト比に基づいて目標トルクを演算し、それに見合う制御信号をモータ出力Ｉ／Ｆ１２７を介してモータドライバ１２８に出力するものである。
【００５４】ここで上記コントローラ１００には、自輪への人力に基づいて該自輪への補助力を演算するための左，右の自輪成分比率Ｋ１l,ｋ１r と、自輪への人力に基づいて相手輪への補助力を演算するための相手輪成分比率ｋ２l,ｋ２r と、自輪，相手輪への人力に基づいて両輪に同等に作用する補助力（重心成分）を設定する重心惰行成分比率ｋｍとが記憶されている。
【００５５】また、上記駆動モータ３１の出力制御の方式として、一般に、供給する電圧を制御する方式と電流を制御する方式とがある。電圧制御の場合、該駆動モータのトルクτは、図１２に示すように回転数ｎの増加減少に伴って減少増加し、また電流制御の場合には、該モータのトルクτは、図１３に示すように回転数ｎの変化に関わらず一定値を示す特性がある。
【００５６】上記左，右の駆動モータ３１，３１を、これに供給する電圧により目標トルクが発生するように制御した場合には、例えば平地走行中に左, 右何れかに旋回すると、モータ動力が旋回動作を妨げるように働くので、結果として外力による旋回が行えないという懸念がある。
【００５７】そこで本実施形態の補助動力式車椅子１では、駆動モータ３１を供給する電流値を制御するいわゆる電流制御により目標トルクが発生するよう制御している。そのため、旋回により一方の車輪の回転速度が高くなった場合でも、モータトルクτを引き続いて一定トルクに保持でき、上述の旋回不能の問題を回避できる。
【００５８】次に、上記実施形態装置の補助動力制御について説明する。図１４に示すように、上記コントローラ１００，１００による制御では、前処理として、このコントローラ１００の各種メモリ及びタイマのリセット等が行われ（ステップＳ１）、次に、割り込み待機＆通信処理として、上記左，右の車輪２，２に供給される補助トルクの演算や上記コントローラ１００，１００間の通信等が行われる（ステップＳ２）。そして、この割り込み待機＆通信処理（ステップＳ２）が繰り返される。
【００５９】上記ステップＳ２における割り込み待機処理では、図１５に示すように、アナログ信号である上記入力された人力をデジタル変換するＡＤ，ポート入力処理（ステップＳ３）と、上記車輪２，２に供給される補助力トルクを演算する補助トルク演算処理（ステップＳ４）と、上記演算されたトルクを上記モータドライバ１２８に出力するトルク出力処理（ステップＳ５）と、上記各処理等において検出された異常に対するエラー処理等が行われる各種異常処理（ステップＳ６）とが順次行われて繰り返されるようになっている。
【００６０】次に、上記ステップＳ４，Ｓ５における補助トルク演算処理を、図１６を参照しつつ説明する。図１６は上記補助トルク演算処理の動作を示すフローチャート図である。
【００６１】まず、例えば上記左の車輪２にハンドリム１３を介して入力された人力Ｆ１ｎが所定の下限値Ｆｌｏｗ，上限値Ｆｈｉｇｈの範囲にあるか否かが判断され（ステップＳ７）、上記人力Ｆ１ｎが所定の範囲外の時には入力値の異常としてエラー処理が行われる（ステップＳ８）。なお、上記ｎはこの制御の処理回数を示しており、また上記Ｆ１は図１７における左の人力ＦＬに相当し、後述のＦ２は右の人力ＦＲに相当する。
【００６２】次に、上記人力Ｆ１ｎの前進か後進かの印加方向を判断するものとして極性処理が行われる（ステップＳ９）。具体的には、上記Ｆ１ｎから図１８に示すＦｎｕｌｌの値を差し引いた値が新たにＦ１ｎにセットされ、この値が、例えば、０よりも大のときは前進方向、０よりも小のときは後進方向として判断される。なお、上記図１８は、上記車椅子１の走行時における上記ポテンショメータ７２からの入力信号の特性を示す図であり、上記Ｆｎｕｌｌ，即ちＶｎｕｌｌは停止時の上記入力信号を示している。
【００６３】また、上記通信処理（ステップＳ２）において、左，右のＣＰＵ１２６，１２６間で送受信されたデータのレジスタ処理（ステップＳ１０）が行われる。具体的には、送信データを格納する送信レジスタＴｘに上記Ｆ１ｎがセットされ、受信データを格納する受信レジスタＲｘに右の車輪２に入力された人力Ｆ２ｎがセットされる。
【００６４】また、上記車椅子１の重心に作用する補助トルク成分（重心成分）ＦＭｎが、ｋｍ・Ｆｔｍとして算出される（ステップＳ１１）。この場合、具体的には（Ｆ１n ＋Ｆ２ｎ）がＦｔｍとされている。
【００６５】次に、上記重心成分ＦＭｎが電気的な不感帯域に存在するかどうかが検出される。なお上記電気的な不感帯域とは、入力信号Ｖinと目標トルクτとの関係（モータ出力Ｉ／Ｆ１２７，モータドライバ１２８の特性）を示す図１９に示すように、アシスト比（補助比）をパラメータとして、目標トルクτが０となる入力信号Ｖinの値の範囲のことであり、図１９ではＶi1〜Ｖi2が電気的な不感帯域として設定される。
【００６６】上記重心成分ＦＭｎの絶対値で示される大きさが所定のしきい値ｈより小でなく上記不感帯領域にないと判断された時は（ステップＳ１２）、入力値の積分処理が行われる（ステップＳ１３）。これは、上記演算されたＦＭｎと所定の定数ａとの積が、また、前回の値と所定の定数ｂとの積がそれぞれ演算され、これらの和を算出することで行われ、この和が上記入力信号ＦＭｎを積分した演算値Ｙｎとして設定される。
【００６７】また、上記ステップＳ１２で上記ＦＭｎの大きさが所定のしきい値ｈより小さく上記不感帯領域内にあると判断された時は、前回の値Ｙｎ−１を予め設定された１より小さい所定の定数ｃで減衰させた値が、新たな演算値Ｙｎとして設定される（ステップＳ１４）。
【００６８】次に、上記Ｙｎの絶対値が、予め設定された所定の制限値Ｙｍａｘを上回るか否かが判断され（ステップＳ１５）、上回る場合は上記ＹｎがＹｍａｘに設定される（ステップＳ１６）。
【００６９】そして、上記ステップＳ１５で上記Ｙｎが制限値Ｙｍａｘ以下であると判断されると、上記設定されたＹｎと所定の定数ｄとの積と、上記Ｆ１ｎと所定の定数ｅとの積と、上記Ｆ２ｎと所定の定数ｆとの積との和が、トルク指令値Assistτ（ＴＬ，ＴＲ）として算出される（ステップＳ１７）。なお、上記定数ｄ，ｅ，ｆはアシスト比を設定する所定の係数を示しており、ｄは上記重心成分比率Ｋｍに相当し、ｅは自輪成分比率Ｋ１l,ｋ１r に相当し、ｆは相手輪成分比率ｋ２l，ｋ２r に相当する。
【００７０】上記演算された上記トルク指令値Assistτと上記ステップＳ９における前進又は後進の判定とにより、駆動モータ３１の回転方向，トルクが設定され、上記ＣＰＵ１２６により該モータ３１が電流制御される。
【００７１】上述の補助トルク演算処理を図１７を参照しつつ上記車椅子の構成に基づいてより具体的に説明する。本実施形態では、上記左，右の車輪に加えられる補助トルクＴＬ，ＴＲが、 ＴＬ＝ｋ１l ・ＦＬ＋ｋ２l ・ＦＲ＋ｋｍ・Ｆｔｍ（式１）
ＴＲ＝ｋ１r ・ＦＲ＋ｋ２r ・ＦＬ＋ｋｍ・Ｆｔｍ（式２）
（ｋ１l,ｋ１r ：自輪成分比率、ｋ２l , ｋ２r ：相手輪成分比率、ｋｍ：重心成分比率）で設定された量となるように上記駆動モータ３１への電流値がフィートバック制御される。
【００７２】まず、上記ポテンショメータ７２で構成される人力検出手段からの入力信号、即ち、人力ＦＬ又はＦＲと自輪成分比率ｋ１l 又はｋ１ｒとの積が演算されて、自輪への補助トルク成分ｋ１l ・ＦＬ又はｋ１r ・ＦＲが算出される。また、上記検出された人力ＦＲ，ＦＬと相手輪成分比率ｋ２l , ｋ２ｒとの積が演算されて、相手輪への補助トルク成分ｋ２l ・ＦＲ，ｋ２ｒ・ＦＬが算出される。
【００７３】また、上記人力ＦＬと人力ＦＲとの和Ｆｔｍが演算され、この演算値Ｆｔｍと重心成分比率ｋｍとの積が演算されて、両輪に同等に作用し、車椅子１を直進させる重心トルク成分ｋｍ・Ｆｔｍが算出される。なお、この重心トルク成分ｋｍ・Ｆｔｍは、上記ＣＰＵ１２６の有するトルク残存手段としての機能により、人力供給が停止された後にも出力され、その大きさは時間とともに減少するようになっている。
【００７４】次に、左の車輪への自輪補助トルク成分ｋ１l ・ＦＬと 相手輪補助トルク成分ｋ２l ・ＦＲとの和が演算され、さらにこの演算値と上記重心トルク成分ｋｍ・Ｆｔｍとの和が演算されて、左輪の補助トルク指令値（目標トルク）ＴＬ※が設定される。
【００７５】そして、上記左のモータ３１からの左の車輪への実際の補助トルクが上記トルク指令値ＴＬ※となるよう、上記左のモータ３１に供給される電流値がモータドライバ１２８によってフィードバック制御される。そして上記モータ３１から出力された補助トルクＴＬと、左車輪への人力ＦＬとハンドリムの半径ｒにより決まる人力トルクτＬとの和が左車輪の実際の推進トルクとなる。
【００７６】同様に、上記自輪補助トルク成分ｋ１r ・ＦＲと相手輪補助トルク成分ｋ２r・ＦＬとの和が演算され、さらにこの演算値と上記重心惰行トルク成分ｋｍ・Ｆｔｍとの和が演算されて、右輪の補助トルク指令値（目標トルク）ＴＲ※が設定される。
【００７７】そして、上記右のモータ３１からの右の車輪への実際の補助トルクが上記トルク指令値ＴＲ※となるよう、上記右のモータ３１に供給される電流値がモータドライバ１２８によってフィードバック制御される。そして上記補助トルクＴＲと右輪への人力トルクτＲとの和が右車輪の実際の推進トルクとなる。
【００７８】本実施形態装置は、上記各比率ｋ１l , ｋ１r 、ｋ２l ，ｋ２r を適宜設定することにより、（ａ）使用者が両輪を同じ操作力で操作できる場合、（ｂ）両手の操作力にアンバランスがあり、両輪に同じ操作力を加えることができない場合、（ｃ）さらに片方の手だけでしか操作が行えない場合、の何れの場合にも適用できる。なお、以下の例では、ハンドリムの半径ｒ＝0.25m としている。
【００７９】
【表１】

【００８０】まず、上記（ａ）の場合を表１（ａ）に示す。この場合には、上記各比率は、例えばｋ１l ＝ｋ１r ＝0.25、ｋ２l ＝ｋ２r ＝0 の関係に設定される。このように設定した場合に、左，右の人力ＦＬ＝ＦＲ＝5.0Kg が入力されると、上記式（１），（２）による左，右の目標トルクＴＬ，ＴＲは何れも2.5 kg・m で、左，右の人力トルクτＬ，τＲは何れも1.25kg・m であるから、総合トルクは左，右とも3.75kg・m となり、容易に直進することができる。
【００８１】一方、上記（ｂ）の場合を表１（ｂ）に示す。例えば左手の方が右手より強くその操作力比率が５：２である場合には、上記各比率は表２にその１例を示すように、ｋ１l ＝0.04、ｋ１r ＝0.25、ｋ２l ＝ｋ２r ＝0.15の関係に設定される。このように設定した場合に、左，右の人力ＦＬ，ＦＲがそれぞれ5.0 ,2.0kgである場合には、左，右の目標トルクＴＬ，ＴＲはそれぞれ1.375, 2.125 kg ・mで、左，右の人力トルクτＬ，τＲはそれぞれ1.25, 0.5 kg・m であるから、総合トルクは左，右とも2.625 kg・m となり、容易に直進することができる。
【００８２】また、上記（ｃ）の場合を表１（ｃ）に示す。例えば左手だけでしか操作が行えない場合には、上記各比率は表２にその１例を示すよう、ｋ１l ＝0.0 、ｋ１r ＝0.25、ｋ２l ＝ｋ２r ＝0.25の関係に設定される。このように設定した場合に、左の人力ＦＬ＝5.0 ｋg が入力されると、左，右の目標トルクＴＬ，ＴＲはそれぞれ0.625, 1.875 kg ・m で、左，右の人力トルクτＬ，τＲはそれぞれ1.25, 0.0 kg・m であるから、総合トルクは左，右とも1.875 kg・m となり、この場合にも容易に直進することができる。
【００８３】このように本実施形態では、上記各比率ｋ１l , ｋ１r 、ｋ２l ，ｋ２r を適宜設定することにより、使用者が左，右車輪に同じ操作力を加えることができる場合は勿論のこと、左，右の操作力にアンバランスがある場合、さらには片方の手でしか操作できない場合でも容易に直進走行することができ、使用者の負担を軽減できる。
【００８４】なお、上述の作用からみて明らかなように、上記（ｃ）の場合には、上記式１，式２は、その右辺第１項を削除して式１′，式２′としても良い。
ＴＬ＝ｋ２l ・ＦＲ＋ｋｍ・Ｆｔｍ（式１′）
ＴＲ＝ｋ２r ・ＦＬ＋ｋｍ・Ｆｔｍ（式２′）
（ｋ２l , ｋ２r ：相手輪成分比率、ｋｍ：重心成分比率）
【００８５】
【表２】

【００８６】表２（ａ）は、上記左，右操作可能力に差がある（アンバランス）の場合に、この差に相当する入力があった場合を示す（表１（ｂ）と同一）。表２（ｂ）は上記差に相当するのと異なる入力があった場合、即ち、左，右操作力の比率が５：２である場合に、左，右人力ＦＬ，ＦＲが5.0 、3.0kg の場合を示す。この場合、補助トルクＴＬ，ＴＲはそれぞれ1.65 ,2.5kg ・m 、人力トルクτＬ，τＲはそれぞれ1.25, 0.75kg・m であるから、総合トルクは左，右それぞれ2.9, 3.25kg ・m となり、左側に旋回する。このように使用者が左に旋回しようとして右の操作力を意識的に大きくした場合には容易に左旋回が可能である。
【００８７】また本実施形態では、上記各比率を適宜設定することにより、車椅子の走行特性を、旋回性の強い特性，あるいは直進性の強い特性等、自由に設定可能である。図２０（ａ）〜（ｃ）は、例えば左輪入力を5.0kg に固定して右輪入力を変化させた場合の、左，右輪の総合トルクを示す。
【００８８】図２０（ａ）は、各比率を上記表１（ｂ）に設定した場合に、右輪入力を左，右操作力比率に応じて2.0 kgとした場合には、左，右輪とも総合トルクは2.625kg・m であるのに対し、右輪入力を2.0 kgより大きくするにつれて右輪の統合トルクが大きくなり、左方に旋回することを示す。
【００８９】図２０（ｂ）は、旋回性が強まるように、つまり人力の変化に対して左，右輪のトルク差が比較的急に大きくなるようにした場合を示す。具体的には、上記式（１），（２）において、ｋ１l ・ＦＬに対するｋ２l ・ＦＲの比率、ｋ１r ・ＦＲに対するｋ２r ・ＦＬの比率が小さくなるように上記各比率ｋ１l ，ｋ１r，ｋ２l ，ｋ２r を設定した場合を示す。
【００９０】図２０（ｃ）は、直進性が強まるように、つまり人力の変化に対して左，右輪のトルク差が比較的緩慢に大きくなるようにした場合を示す。具体的には、上記式（１），（２）において、ｋ１l ・ＦＬに対するｋ２l ・ＦＲの比率、ｋ１r・ＦＲに対するｋ２r ・ＦＬの比率が大きくなるように上記各比率ｋ１l ，ｋ１r ，ｋ２l ，ｋ２r を設定した場合を示す。
【００９１】ここで本実施形態車椅子のように、何れかの一方の車輪に加えられた人力に基づいて他方の車輪への補助動力を求めるようにしたものでは、進行方向を修正する場合には、片足接地により操舵操作を行う必要が生じ、操舵操作性の改善が求められる。
【００９２】そこで本実施形態では、人力を人力検出機構により検出されることなく車輪に直接入力できるようにハンドリム１２１を車輪に取り付けている。このハンドリム１２１に人力を前進方向にあるいは後進方向加えた場合には、上記補助動力の演算に影響を与えることがない。また駆動モータ３１を電流制御することにより上記目標補助トルクＴＬ，ＴＲを発生するようにしているので、旋回により左，右車輪の回転速度が変化した場合でも上記補助トルクが変化することはない。
【００９３】従って本実施形態では、例えば左車輪のハンドリム１２１に前進方向の人力を加えた場合には進行方向を右側に修正でき、該左のハンドリム１２１に後進方向の人力を加えた場合には進行方向を左側に修正でき、上記片足接地による操舵操作に比較して操作性を大きく向上できる。
【００９４】また本実施形態では、人力の入力が停止した後は、左，右同じ大きさの重心成分ｋｍ・Ｆｔｍを引き続いて供給し、その大きさを時間とともに減少するようにしたので、人力供給停止後には、仮想の運動量が重心に保持されたとみなすことができ、旋回中に使用者がハンドリム１３から手を離した時にはその時の車椅子の向いた方向に直進惰行することとなり、手動車椅子と同様の操作感を実現できる。また登坂中においては人力の入力停止後に急激に減速して止まってしまう等の問題を回避でき、使用者の負担をより軽減することができる。
【出願人】 【識別番号】００００１００７６
【氏名又は名称】ヤマハ発動機株式会社
【出願日】 平成９年（１９９７）８月１２日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】下市 努
【公開番号】 特開平１１−５６９１６
【公開日】 平成１１年（１９９９）３月２日
【出願番号】 特願平９−２１７４７１