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【発明の名称】 電動車椅子
【発明者】 【氏名】高橋 宏行
【要約】 【課題】

【解決手段】
【特許請求の範囲】
【請求項１】 左右の駆動輪をそれぞれ別個のモータで独立に駆動し、それぞれの回転速度及び回転方向を個別に制御することによって車速変更と操舵を行う電動車椅子において、車速の進行方向成分を増減するためのアクセル手段と、回動操作によって車両の進行方向を決定するための操舵手段と、前記操舵手段の舵角量に応じて方向を変化される操舵輪を前記駆動輪の軸位置から所定距離だけ離れた位置に仮想し、該操舵輪と前記各駆動輪との速度比が各舵角量に対して予め求められた設定値にそれぞれ等しくなるよう各駆動輪の速度を制御する制御手段と、を設けたことを特徴とする電動車椅子。
【請求項２】 前記設定値は、前記操舵輪と左右の駆動輪の各旋回角速度が各操舵角に対して同一になるように決められた定数であることを特徴とする請求項１記載の電動車椅子。
【請求項３】 前記制御手段は、前記設定値を記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶された設定値と前記アクセル手段によって検出された前記操舵輪の速度とを乗じて各駆動輪に対する速度指令値を算出する速度指令値算出手段を含んで構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の電動車椅子。
【請求項４】 前記制御手段は、前記設定値を演算する演算手段と、該演算手段によって演算設定値と前記アクセル手段によって検出された前記操舵輪の速度とを乗じて各駆動輪に対する速度指令値を算出する速度指令値算出手段を含んで構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の電動車椅子。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、左右の駆動輪をそれぞれ別個のモータで独立に駆動し、それぞれの回転速度及び回転方向を個別に制御することによって車速変更と操舵を行う電動車椅子に関する。
【０００２】
【従来の技術】この種の電動車椅子の操舵操作は従来からジョイスティックによって行われている。
【０００３】一方、単一の駆動装置と差動ギヤによって左右の駆動輪を同時に駆動して走行するシニアカー等の車両は主に高齢者を対象とした乗り物であって、その操舵操作はハンドルによって行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、電動車椅子の操舵操作に使用されるジョイスティックはレバーの倒れ角によって車速を制御し、レバーの倒れ方向によって車両の進行方向を決定するが、レバーの倒れ方向と車両の進行方向が必ずしも一致しない場合があり、その操作には熟練を要し、判断力が低下した場合には操縦が困難となる。
【０００５】又、シニアカーにあっては、ハンドルによって操舵輪の方向が直接変えられるために操舵操作に大きな力を要し、ハンドルの長さによって操舵輪の方向を変えるためのモーメント力が決まるためにハンドルの大きさをコンパクトにすることができない他、差動ギヤを用いるために小回りが利かないという問題がある。
【０００６】而して、シニアカーの操舵操作に要する力を軽減するために操舵装置にギヤやパワーステアリング機構を用いればコストアップと重量増加を招いてしまう。
【０００７】本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、コンパクトな操舵手段を用いてハンドルによる操舵感覚で簡単に操舵操作することができる電動車椅子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、左右の駆動輪をそれぞれ別個のモータで独立に駆動し、それぞれの回転速度及び回転方向を個別に制御することによって車速変更と操舵を行う電動車椅子において、車速の進行方向成分を増減するためのアクセル手段と、回動操作によって車両の進行方向を決定するための操舵手段と、前記操舵手段の舵角量に応じて方向を変化される操舵輪を前記駆動輪の軸位置から所定距離だけ離れた位置に仮想し、該操舵輪と前記各駆動輪との速度比が各舵角量に対して予め求められた設定値にそれぞれ等しくなるよう各駆動輪の速度を制御する制御手段と、を設けたことを特徴とする。
【０００９】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記設定値は、前記操舵輪と左右の駆動輪の各旋回角速度が各操舵角に対して同一になるように決められた定数であるものとしたことを特徴とする。
【００１０】請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記制御手段を、前記設定値を記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶された設定値と前記アクセル手段によって検出された前記操舵輪の速度とを乗じて各駆動輪に対する速度指令値を算出する速度指令値算出手段を含んで構成したことを特徴とする。
【００１１】請求項４記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記制御手段を、前記設定値を演算する演算手段と、該演算手段によって演算設定値と前記アクセル手段によって検出された前記操舵輪の速度とを乗じて各駆動輪に対する速度指令値を算出する速度指令値算出手段を含んで構成したことを特徴とする。
【００１２】従って、請求項１又は２記載の発明によれば、あたかも通常のハンドルを用いて操舵輪を操舵しているような操舵感覚を制御的に得ることができる。そして、この場合、操舵輪は仮想のものであって実際には存在しないため、操舵手段のサイズ及び形状を任意に決定することができ、操舵輪を実際に力学的に操作する必要がないために操舵操作に大きな力は不要となる。
【００１３】又、請求項３記載の発明によれば、予め求められた設定値を記憶手段に記憶しておくために設定値をその都度算出する必要がなく、演算回路の負担が軽減されて演算速度が高められ、操舵手段による操舵操作に対する車両の操舵の応答性が高められる。
【００１４】更に、請求項４記載の発明によれば、設定値を速度指令値算出手段によってその都度演算によって求めるために記憶手段が不要となり、その分だけコスト及びスペースの点で有利となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１６】図１は本発明に係る電動車椅子の側面図、図２は同電動車椅子の正面図、図３は同電動車椅子の右側駆動輪の内側面図である。
【００１７】本実施の形態に係る電動車椅子１においては、パイプ枠状の車体フレーム２の前後部が左右一対のキャスタ３Ｌ，３Ｒと駆動輪４Ｌ，４Ｒによって移動自在に支持されている。
【００１８】そして、上記車体フレーム２の中央部には、乗員Ｍが着座すべき布製のシート５（図２参照）が張設されている。又、車体フレーム２は図２に示すように前後一対のクロス部材２ａを有しており、Ｘ字状を成す２本のクロス部材２ａはその交点を軸６によって枢着され、軸６を中心として車体を折り畳むことができるよう構成されている。
【００１９】更に、車体フレーム２の後部には左右一対のバックパイプ２ｂが立設されており、各バックパイプ２ｂの上端部は後方に折曲され、その折曲部には介助者のグリップ７が取り付けられており、一方のグリップ７の近傍にはブレーキレバー８と操作ボックス９が設けられている。又、各駆動輪４Ｌ，４Ｒの内側には、車体後方（図１の右方）に向かって斜め下方に延出する転倒防止用のウイリーバー１０が取り付けられている。
【００２０】又、車体フレーム２の前記バックパイプ２ｂ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肘パイプ２ｃ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、その下端部に前記キャスタ３Ｌ，３Ｒがそれぞれ回転自在に支承されている。そして、前記肘パイプ２ｃの下方に配された左右一対のシートパイプ２ｄの前側部分は車体前方に向かって斜め下方に延出しており、その延出端（前端部）には左右一対のステップ１１が取り付けられている。
【００２１】更に、図１及び図２に示すように、右側（図２においては左側）のシートパイプ２ｄの前端折曲部にはパイプ状のステー１２が上方に向かって斜め前方に立設されており、このステー１２の上端部には、そこから車幅方向内方に向かって略水平に車体幅方向中央部まで延びる別のステー１３が脱着可能に取り付けられている。そして、このステー１３の先端部には操作ボックス１４が取り付けられており、この操作ボックス１４には小径のステアリングハンドル１５が回動可能に支持されるとともに、メインスイッチ１６が取り付けられている。従って、図２に示すように、操作ボックス１４とこれに設けられたステアリングハンドル１５及びメインスイッチ１６は乗員Ｍの前方の車幅方向中央に配置されている。
【００２２】而して、上記ステアリングハンドル１５には２本のハンドルレバー１５ａが一体に立設されており、一方のハンドルレバー１５ａには車速の進行方向成分を増減操作するためのアクセルレバー１７が設けられている。
【００２３】他方、左右の各駆動輪４の外側には、乗員Ｍが手でこれを回すべきハンドリム１８が各駆動輪４Ｌ，４Ｒのハブ１９に一体に固定されており、各駆動輪４Ｌ，４Ｒのハブ１９には電動ユニット２０がそれぞれ組み込まれている。
【００２４】上記各電動ユニット２０は、図３に示すように、電動モータ２１と、該電動モータ２１の回転を減速して車軸２２に伝達するための減速ギヤ等を含む不図示の動力伝達機構と、駆動輪４Ｒ（４Ｌ）の回転速度と回転方向を制御するコントローラ２３（図４参照）等を含んで構成されている。尚、電動モータ２１は駆動輪４Ｒ（４Ｌ）のハブ１９の車体幅方向内側に結着された固定プレート２４に取り付けられている。又、図３において、２５はドラムブレーキ、２６はクラッチレバーである。
【００２５】而して、本実施の形態に係る電動車椅子１においては、右側の駆動輪４Ｒ側に電源であるバッテリ２７が着脱自在に設けられている。即ち、右側の駆動輪４Ｒの前記固定プレート２４には不図示のブラケットを介してバッテリホルダー２８が取り付けられており、このバッテリホルダー２８に対してバッテリ２７が着脱される。尚、図５において、２９はモータカバーである。
【００２６】而して、バッテリ２７が図示のようにバッテリホルダー２８に装着されている状態においては、バッテリ２７側に設けられた不図示の接続端子がバッテリホルダー２８側に設けられた不図示の接続端子に接続され、前記操作ボックス１４に設けられた前記メインスイッチ１６（図１参照）がＯＮされると、バッテリ２７は左右の駆動輪４Ｌ，４Ｒにそれぞれ設けられた電動ユニット２０にそれぞれ給電して各電動ユニット２０を各々独立に駆動し、左右の電動モータ２１の回転が左右の駆動輪４Ｌ，４Ｒにそれぞれ伝達されて左右の駆動輪４Ｌ，４Ｒが各々独立に駆動制御され、当該電動車椅子１が乗員Ｍの意思に従って走行せしめられる。
【００２７】ここで、本実施の形態に係る電動車椅子１の駆動制御系の構成を図４に基づいて説明する。
【００２８】図４は電動車椅子１の駆動制御系の構成を示すブロック図であり、同図において３０は前記アクセルレバー１７を含むアクセル装置、３１は前記ステアリングハンドル１５を含む操舵装置、３２はアクセルレバー１７によるアクセル操作量を検知するアクセル量検知部、３３はステアリングハンドル１５による舵角量を検知する舵角量検知部、２３は前記コントローラであって、このコントローラ２３には後述の係数を記憶する係数テーブルメモリ３４と各電動ユニット２０に対して出力すべき速度指令値を算出するための速度指令値計算部３５が設けられている。
【００２９】又、図４において、３６は前記コントローラ２３の速度指令値計算部３５において左右の駆動輪４Ｌ，４Ｒに対して各々算出された速度指令値ＶL*，ＶR*を増幅するとともに電流指令値ＩL*，ＩR*に変換するための速度アンプ、３７は各速度アンプ３６から出力される電流指令値ＩL*，ＩR*を増幅するための電流アンプ、３８は各電流アンプ３７から出力される電流指令値ＩL*，ＩR*に応じて各電動モータ２１を駆動するモータドライバ、３９は左右の各駆動輪４Ｌ，４Ｒの回転速度と回転方向を検出するためのエンコーダであり、各モータドライバ３８から各電動モータ２１に供給される電流（電力）は各電流アンプ３７にフィードバックされ、各エンコーダ３９によって検出される各駆動輪４Ｌ，４Ｒの回転速度と回転方向は各速度アンプ３６にフィードバックされる。
【００３０】而して、本実施の形態に係る電動車椅子１においては、左右の駆動輪４Ｌ，４Ｒの軸位置から所定距離だけ離れた位置に設けられたと仮想された操舵輪４０がステアリングハンドル１５によって回動操作されると同様の感覚での操舵が制御的に実現される。
【００３１】ここで、上記を実現するための原理を図５の模式図に基づいて説明する。
【００３２】図５に示すように、電動車椅子１の車体の中心線上であって、左右の駆動輪４Ｌ，４Ｒの軸位置から前方に距離ｄだけ隔てた点Ｐに前記ステアリングハンドル１５の操舵量に応じてその舵角θが変化する操舵輪４０を仮想する。
【００３３】そして、左右の駆動輪４Ｌ，４Ｒの回転がフリー状態にあり、仮想した操舵輪４０が速度ＶF で進むことによって所要の駆動力が得られるものと仮定すれば、操舵輪４０の舵角がθである場合の旋回中心Ｏを中心として電動車椅子１が旋回する際の左右の駆動輪４Ｌ，４Ｒの角速度ωL ，ωR と操舵輪４０の角速度ωFはそれぞれ次式で表される。
【００３４】
ωL ＝ＶL ／（ｒ＋Ｗ） …（１）
ωR ＝ＶR ／（ｒ−Ｗ） …（２）
ωF ＝ＶF ／Ｌ …（３）
ここに、ＶL ：左駆動輪の速度ＶR ：右駆動輪の速度Ｌ：操舵輪の中心から旋回中心までの距離ｒ：車体中心から旋回中心までの距離Ｗ：左右の駆動輪の車体中心からの距離ところで、図５より幾何学的に次の関係が成立する。
【００３５】
ｒ＝ｄ／tan θ …（４）
Ｌ＝（ｄ2 ＋ｒ2 ）1/2 ＝ｄ（tan2θ＋１）1/2 ／tan θ …（５）
而して、電動車椅子１が円滑に旋回する場合には、前記（１）〜（３）式によってそれぞれ表される各角速度ωL ，ωR ，ωF は等しい（ωL ＝ωR ＝ωF ）ため、左右の駆動輪４Ｌ，４Ｒの速度ＶL ，ＶR は次式で表される値に制御される必要がある。
【００３６】
ＶL ＝（（ｒ＋Ｗ）／Ｌ）・ＶF ＝（（ｄ＋Ｗtan θ）／ｄ（tan2θ＋１）1/2 ）・ＶF ＝（（１＋αtan θ）／（tan2θ＋１）1/2 ）・ＶF …（６）
ＶR ＝（（ｒ−Ｗ）／Ｌ）・ＶF ＝（（ｄ−Ｗtan θ）／ｄ（tan2θ＋１）1/2 ）・ＶF ＝（（１−αtan θ）／（tan2θ＋１）1/2 ）・ＶF …（７）
ここに、α＝Ｗ／ｄである。
【００３７】以上のことを逆に考えれば、操舵輪４０の速度ＶF と舵角θが与えられて左右の駆動輪４Ｌ，４Ｒの速度差（｜ＶL −ＶR ｜）で旋回する場合には、操舵輪４０の速度ＶF はアクセル量に比例するようにし、前記ステアリングホイール１５の操舵量に比例する操舵輪４０の舵角θに対して（６），（７）式が成立するように左右の駆動輪４Ｌ，４Ｒの速度（回転数）ＶL ，ＶR を制御すれば、あたかも通常のハンドルを用いて操舵輪４０を操舵しているような操舵感覚を得ることができる。そして、この場合、操舵輪４０は仮想のものであって実際には存在しないため、ステアリングハンドル１５のサイズ及び形状を任意に決定することができ、操舵輪４０を実際に力学的に操作する必要がないため操舵操作に大きな力は不要となる。
【００３８】而して、本実施の形態は上記を制御的に実現したものであって、実際の操舵操作は小型でコンパクトなステアリングホイール１５によってなされるため、操舵操作に大きな力を必要とせず、ステアリングホイール１５の設置スペースも小さくて済む。
【００３９】ところで、前記（６），（７）式において舵角θ＝９０°である場合には、tan θの項が支配的となるため、（６），（７）式は次のように表される。
【００４０】
ＶL ≒ （αtan θ／tan θ）・ＶF ＝ αＶF …（６）’ ＶL ≒−（αtan θ／tan θ）・ＶF ＝−αＶF …（７）’上記（６）’，（７）’式から明らかなように、左右の駆動輪４Ｌ，４Ｒの速度ＶL ，ＶR の絶対値を等しく、且つ、回転方向を互いに逆方向とすることによって車両の方向のみを変化させること（その場旋回）が可能となる。そして、この場合、αの値が小さい程、その場旋回での左右の駆動輪４Ｌ，４Ｒの速度ＶL，ＶR も小さくなる。つまり、操舵輪４０をより前方に設置して距離ｄを大きく設定する程、電動車椅子１の旋回速度が小さくなる。
【００４１】次に、以上の原理を本実施の形態に係る電動車椅子１に適用した具体例を図４と図６〜図９に基づいて説明する。
【００４２】前述のように、仮想した操舵輪４０の舵角θに対して左右の駆動輪４Ｌ，４Ｒの速度ＶL ，ＶR をこれらが前記（６），（７）式で表される値になるように制御すれば、電動車椅子１の操舵においてはあたかも通常のハンドルを用いて操舵輪４０を操舵しているような操舵感覚を得ることができる。
【００４３】ところで、左右の駆動輪４Ｌ，４Ｒの速度ＶL ，ＶR の操舵輪４０の速度ＶFに対する比ＶL ／ＶF ，ＶR ／ＶF を係数とすれば、これらの係数はθの関数としてそれぞれ次式で表される。
【００４４】
ＶL ／ＶF ＝（１＋αtan θ）／（tan2θ＋１）1/2 …（８）
ＶR ／ＶF ＝（１−αtan θ）／（tan2θ＋１）1/2 …（９）
ここで、α＝２，１，０．５，０．１である場合の係数ＶL ／ＶF ，ＶR ／ＶF を（８），（９）式によってそれぞれ求めると、それぞれ図６〜図９に示すような結果となる。
【００４５】而して、図４に示すアクセル量検知部３２によって検知されたアクセル装置３０によるアクセル量はコントローラ２３の速度指令値計算部３５に入力されて操舵輪４０の速度ＶF が求められ、舵角量検知部３３によってステアリングハンドル１５を含む操舵装置３１の舵角量が検知されて操舵輪４０の舵角θがコントローラ２３の係数テーブルメモリ３４に入力される。
【００４６】ところで、上記係数テーブルメモリ３４は所定のα（＝Ｗ／ｄ）についての図６〜図９に示すような係数ＶL ／ＶF ，ＶR ／ＶF のデータをテーブル化して記憶しており、前述のように仮想された操舵輪４０の舵角θが入力されると、このθに対する係数ＶL ／ＶF ，ＶR ／ＶF を読み出してこれを前記速度指令値計算部３５に対して出力する。
【００４７】すると、速度指令値計算部３５においては、アクセル量検知部３２から入力された操舵輪４０の速度ＶF と係数テーブルメモリ３４から読み出された係数ＶL／ＶF ，ＶR ／ＶF とを乗じて左右の駆動輪４Ｌ，４Ｒに対する速度指令値ＶL* ，ＶR * を次式：ＶL * ＝ＶF ×（ＶL ／ＶF ） …（１０）
ＶR * ＝ＶR ×（ＶR ／ＶF ） …（１１）
によってそれぞれ算出し、各速度指令値ＶL * ，ＶR * を各速度アンプ３６に対して出力する。
【００４８】すると、各速度アンプ３６において速度指令値ＶL * ，ＶR * がそれぞれ増幅されるとともに、これらの速度指令値ＶL * ，ＶR * が電流指令値ＩL * ，ＩR* に変換され、これらの電流指令値ＩL * ，ＩR * は各電流アンプ３７によって増幅されて各モータドライバ３８にそれぞれ入力され、各モータドライバ３８は電流指令値ＩL * ，ＩR * に応じて各電動モータ２１を駆動制御する。この結果、左右の駆動輪４Ｌ，４Ｒの速度ＶL ，ＶR は前記（６），（７）式にて表される値に制御され、当該電動車椅子１は仮想した操舵輪４０によって舵角θで操舵されたと同様に旋回し、小型でコンパクトなステアリングホイール１５を用いた操舵操作によってあたかも通常のハンドルを用いて操舵輪４０を操舵しているような操舵感覚で電動車椅子１を操舵することができる。
【００４９】ところで、本実施の形態では、予め求められた係数ＶL ／ＶF ，ＶR ／ＶF のデータをテーブル化してコントローラ２３の係数テーブルメモリ３４に記憶しているため、演算回路の負担が軽減されて演算速度が高められ、従って、ステアリングハンドル１５による操舵操作に対する車両の旋回動作の応答性が高められる。
【００５０】尚、係数テーブルメモリ３４を廃し、速度指令値計算部３５において係数ＶL／ＶF ，ＶR ／ＶF を前記（６），（７）式に基づいてその都度演算しても良く、このようにすれば係数テーブルメモリ３４を省略した分だけコスト及びスペースの点で有利となる。
【００５１】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、請求項１又は２記載の発明によれば、あたかも通常のハンドルを用いて操舵輪を操舵しているような操舵感覚を制御的に得ることができる。そして、この場合、操舵輪は仮想のものであって実際には存在しないため、操舵手段のサイズ及び形状を任意に決定することができ、操舵輪を実際に力学的に操作する必要がないために操舵操作に大きな力は不要となる。
【００５２】又、請求項３記載の発明によれば、予め求められた設定値を記憶手段に記憶しておくために設定値をその都度算出する必要がなく、演算回路の負担が軽減されて演算速度が高められ、操舵手段による操舵操作に対する車両の操舵の応答性が高められる。
【００５３】更に、請求項４記載の発明によれば、設定値を速度指令値算出手段によってその都度演算によって求めるために記憶手段が不要となり、その分だけコスト及びスペースの点で有利となる。
【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２０日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】山下 亮一
【公開番号】 特開平１１−５６９２３
【公開日】 平成１１年（１９９９）３月２日
【出願番号】 特願平９−２２３８１５