車椅子の補助動力機構

トップ :: A 生活必需品 :: A61 医学または獣医学;衛生学

【発明の名称】	車椅子の補助動力機構
【発明者】	【氏名】杉浦賢三【氏名】吉塚卓穂
【要約】	【課題】使い慣れた車椅子にワンタッチで装着でき、坂道での動力補助を得て利用者の負担を軽くすることができ、利用者のより安全で行動的な生活を可能とする車椅子の補助動力機構を提供する。【解決手段】車椅子２の下部に取り付けられる本体３に、車椅子２の車輪２ｂの中心軸Ｏ直下にある路面Ｇに付勢する駆動輪４と、車椅子２の傾斜角度を取得する傾斜計５と、取得した傾斜角度に応じた回転トルクを前記駆動輪４に供給するモータ６と、このモータ６の制御部７とを設けた。

【特許請求の範囲】
【請求項１】車椅子の下部に取り付けられる本体に、車椅子の車輪の中心軸直下にある路面に付勢される駆動輪と、車椅子の傾斜角度を取得する傾斜計と、取得した傾斜角度に応じた回転トルクを前記駆動輪に供給するモータと、このモータの制御部とを設けたことを特徴とする車椅子の補助動力機構。
【請求項２】前記本体に、車椅子の下部フレームをトグル機構によって締付けて本体を車椅子に取付け可能とするクランプを設けた請求項１に記載の車椅子の補助動力機構。
【請求項３】前記モータが回転角を取得するロータリーエンコーダを有し、前記制御部が、回転角の変化量から速度、加速度および加速度の変化量を演算する回転数取得手段と、加速度と加速度の変化量を基に動作モードを定めてこの動作モードおよび前記傾斜角度に合わせた回転トルクを前記モータに出力させるモータトルク発生手段とを有する請求項１または２に記載の車椅子の補助動力機構。
【請求項４】前記制御部が傾斜計から取得した傾斜角度から加速度を含む外乱要素を除去する傾斜角度取得手段を有する請求項３に記載の車椅子の補助動力機構。
【請求項５】前記制御部が下り坂では傾斜角度に応じた制動力をモータに加えるものである請求項１～４の何れかに記載の車椅子の補助動力機構。
【請求項６】前記制御部が車椅子の速度を監視し、これが既定の最高速度に達し、それ以上に速度が上昇しようとした場合に制動力をモータに加えるものである請求項３～５の何れかに記載の車椅子の補助動力機構。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は車椅子の補助動力機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、車椅子は怪我や病気や障害のために歩いて移動する事ができない人のための移動補助手段として有用なものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、車椅子による移動は比較的平坦な路面では容易に行えるが、路面には起伏が存在するものである。つまり、たとえスロープなどが形成されていたとしても、車椅子で坂を登る場合には多大の力を必要とする上に、疲れて手を休めると後退してしまう場合もあり、利用者は不便を感じている。逆に下り坂では利用者の意思に反して思わぬ速度が出てしまうので介護を必要としていた。
【０００４】また、車椅子と電動補助部が一体となった専用の電動車椅子が実用化されているが、電動車椅子には種類が少なく使用者の体に合わせたものを選択できないだけでなく、非常に高価である上に、これまで使い慣れた車椅子を買い換える必要があるので、利用者にとって好ましいものではなかった。そして、車椅子の車輪をモータを内蔵した車輪に組み換える電動車椅子もあるが、車椅子の大掛かりで専門的な改造を必要としているので、何れにしても費用が高くつくという問題があった。
【０００５】本発明はこのような実情を考慮に入れてなされたものであって、使い慣れた車椅子にワンタッチで装着でき、坂道での動力補助を得て利用者の負担を軽くすることができ、利用者のより安全で行動的な生活を可能とする車椅子の補助動力機構を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明の車椅子の補助動力機構は、車椅子の下部に取り付けられる本体に、車椅子の車輪の中心軸直下にある路面に付勢される駆動輪と、車椅子の傾斜角度を取得する傾斜計と、取得した傾斜角度に応じた回転トルクを前記駆動輪に供給するモータと、このモータの制御部とを設けたことを特徴としている。
【０００７】上記本発明によれば、車椅子本体に対して何の改造も加えることなく、本発明の車椅子の補助動力機構を車椅子の下部に取り付けるだけで、既存の車椅子を動力補助機能を有する車椅子として使用することができる。取付け後は傾斜角度に応じてモータから回転トルクが供給されるので、路面の傾斜角度に関係なく利用者は容易に移動でき車椅子の使い勝手が良くなる。また、駆動輪が車椅子の車輪の中心軸直下にある路面に接するので、路面に段差などがある場合にも駆動輪が段差に引っ掛かることがなく操作性がよくなると共に、より大きな駆動力および制動力を供給することができる。
【０００８】前記本体に、車椅子の下部フレームをトグル機構によって締付けて本体を車椅子に取付け可能とするクランプを設けた場合には、車椅子の補助動力機構をワンタッチの操作によって極めて容易に車椅子に取り付けることができる。
【０００９】さらに、前記モータが回転角を取得するロータリーエンコーダを有し、前記制御部が、回転角の変化量から速度、加速度および加速度の変化量を演算する回転数取得手段と、加速度と加速度の変化量を基に動作モードを定めてこの動作モードおよび前記傾斜角度に合わせた回転トルクを前記モータに出力させるモータトルク発生手段とを有する場合には、利用者の意思に対応して動力補助を行うことができ、平坦な路面を含めて移動速度を変えるときの補助動力を得ることも可能となる。
【００１０】前記制御部が傾斜計から取得した傾斜角度から加速度を含む外乱要素を除去する傾斜角度取得手段を有する場合には、僅かな外乱の影響を受けてモータが不必要な動力補助を頻繁に加えることがなくなり、車椅子の乗り心地を良くすると共に、電力の消費を抑えることができる。
【００１１】前記制御部が下り坂では傾斜角度に応じた制動力をモータに加えるものである場合には、特に下り坂において使用者が操作を余裕を持って行うことができるようになる。つまり、下り坂においても使用者が力を加えなくなると徐々に減速して止まるので、車椅子をより扱いやすくすることができる。
【００１２】前記制御部が車椅子の速度を監視し、これが既定の最高速度に達し、それ以上に速度が上昇しようとした場合に制動力をモータに加えるものである場合には、利用者が意識しないのに必要以上の速度を出しまうことがなくなり、安全である。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１～６は本発明の車椅子の補助動力機構１の例を示している。図１～３，５，６において、２は補助動力の付いていない一般的な車椅子であって、フレーム２ａ、このフレーム２ａに車軸Ｏを介して取り付けられた車輪２ｂ、椅子２ｃ、前輪２ｄおよび足台２ｅからなっており、車椅子の補助動力機構１が下部のフレーム２ａに着脱自在に取り付けられる。
【００１４】車椅子の補助動力機構１は、本体３と、この本体３の下部で路面Ｇに当接するように配置された駆動輪４と、車椅子２の傾斜角度を取得する傾斜計５と、取得した傾斜角度に応じた回転トルクを出力するモータ６と、このモータ６の制御部７と、モータ６および制御部７に対して電力を供給するバッテリ８とを設けている。
【００１５】本体３はその左右両端に前記車椅子２の下端のフレーム２ａを嵌合可能とする開放溝３ａと、この開放溝３ａにフレーム２ａを嵌合した状態で締付け可能とするクランプ３ｂと、このクランプ３ｂを締付けおよび開放をトグル操作するハンドル３ｃとを有している。また、本体３の後端部分には、本体３を車椅子２に取付けた状態で車椅子２の車輪２ｂの後ろ側において路面Ｇから浮かせた状態で固定される補助輪３ｄを設けている。
【００１６】したがって、本例の車椅子の補助動力機構１を取り付けた車椅子２は、図１に一点鎖線にして示す傾斜角α以上前上がりになることがないように構成されている。つまり、駆動軸４によって動力が加えられたり、利用者が急に加速することがあっても、補助輪３ｄによって車椅子２の転倒を阻止することができる。
【００１７】さらに、本体３はその前部分に、図６において両矢印Ｘに示すように出没自在に設けた脚３ｅを設けている。したがって、この脚３ｅを立てることにより、図４，５に示すように車椅子の補助動力機構１を単独で載置できるので、車椅子２に対する取付け操作が容易になる。つまり、車椅子の補助動力機構１を載置した状態でこれを車椅子２の下側に位置するように移動させ、前記ハンドル３ｃを操作してクランプ３ｂを車椅子の下部フレーム２ａに嵌合させるだけのワンタッチ操作によって取付を完了するとができる。なお、脚３ｅは車椅子の補助動力機構１を取り付けた後で折り畳むようにする。
【００１８】駆動輪４は一端が本体３に固定された弾性体４ａによって、車軸２ｂの中心軸Ｏの側面視直下にある路面Ｇに付勢、押圧されている。（特に図１参照）つまり、駆動軸４の回転トルクが容易に路面Ｇに伝達でき、これが推進力または制動力として作用すると共に、段差のある路面Ｇであっても駆動輪４が段差に引っ掛かることを防止する。
【００１９】モータ６は回転角を取得するロータリーエンコーダを有しており、これによって得られた回転角が前記制御部７によって監視されている。つまり、車椅子２の速度をロータリーエンコーダが示す回転角の変化量から求めることができ、この速度の変化量から加速度を求めることができる。
【００２０】制御部７はロータリーエンコーダ、傾斜計５からの電気信号の入力部と、モータ６への電力供給部と、プログラムによって前記入力信号を処理して適切な動力を出力するように構成された処理部とからなり、制御部７内で実行されるプログラムは、回転数取得手段と、傾斜角取得手段と、モータトルク発生手段とを有している。
【００２１】図７～９は制御部７において実行される制御の詳細を示すフローチャートであって、図７は回転数取得手段Ｒを構成する各処理の一例を示している。図７において、回転数取得手段Ｒは過去に測定した速度データｖの例えば５回分を記憶しており、Ｓｒ１は５回分の速度データｖを１回分シフトするステップである。Ｓｒ２は最新の速度データｖを入力するステップであり、新しい速度データｖはモータ６内のロータリーエンコーダから例えば２５回入力した回転角の変化量を平均して得ている。なお、一般的にロータリーエンコーダからの入力は極めて高速であるので、これを２５回分平均したとしても数ｍｓ程度の反応速度を保つことができる。
【００２２】Ｓｒ３は記憶している５回分の速度データｖ（過去４回分の速度データｖと最新の速度データｖ）の平均値を演算するステップであり、得られた速度データｖの平均値を速度Ａとしている。すなわち、本例に示す回転数取得手段では、ロータリーエンコーダから入力した回転角の値を１２５回分平均することにより、速度Ａのリプルを小さくし、速度Ａの微小な変化による制御をすることを防止している。
【００２３】また、回転数取得手段Ｒは過去に測定した速度Ａの例えば３回分を記憶しており、Ｓｒ４は記憶している過去の速度Ａから必要な値を演算するステップである。すなわち、このステップＳｒ４では前々回の速度ＡをＡ₀、前回の速度ＡをＡ₁、今回の速度ＡをＡ₂、前回の速度Ａの変化量（Ａ₁－Ａ₀）を加速度Ａ₃、今回の速度Ａの変化量（Ａ₂－Ａ₁）を加速度Ａ₄、およびこれらの加速度の変化量（Ａ₄－Ａ₃）をＡ₅として演算する。
【００２４】図８は傾斜角取得手段Ｓを構成する各処理の一例を示している。傾斜角取得手段Ｓは過去に測定した角度データの例えば５回分を記憶しており、この角度データは一定時間間隔をおいて前記角度計５から入力されるものである。
【００２５】Ｓｓ１は前回の傾斜角度ｓを取得した時からの時間経過を確認する分岐ステップであり、一定の時間が経過していない場合は何もしないで処理を終了する。そして、一定時間が経過しているときは次のステップを実行する。このようにすることにより、傾斜角度ｓのサンプリング速度を遅くすることができ、微小な振動による角度データの揺れなどを全て制御対象とすることがなくなる。
【００２６】Ｓｓ２は記憶された５回分の角度データを１回分シフトするステップであり、Ｓｓ３は最新の角度データを前記角度計５から入力するステップである。なお、角度計５から入力される角度データは前述の回転数取得手段Ｒによって測定された加速度Ａ₃，Ａ₄などによって補正することにより、角度データの入力に加速度による影響力をなくすことができる。また、加速度の入力があるときには角度データの入力を控えるようにしてもよい。
【００２７】Ｓｓ４は記憶された５回分の角度データ（過去４回分の角度データと最新の角度データ）の全てが坂道を示す値であるかどうかを判断する分岐ステップである。すなわち、５回分の角度データ全てが坂道を示すとき、ステップＳｓ５において５回の角度データの平均値を傾斜角度ｓとして処理を終了する。つまり、５回分の角度データの平均値を取ることにより傾斜角度ｓの反応速度を遅くすることができ、振動などによる外乱要素を相殺することが可能となり、不必要な駆動力の制御をする事がないので、消費電力を抑えることに貢献し、乗り心地を良くすることができる。
【００２８】一方、５回分の角度データの全てが坂道であることを示さない場合は、角度計５の状態が安定していないものとして、傾斜角度ｓを更新することはなく、次のステップに進む。
【００２９】Ｓｓ６は５回分の角度データの全てが例えば±０．５°以内であるかどうかを判断する分岐ステップである。すなわち、５回分の角度データの全てが安定して平地であることを示す場合には、ステップＳｓ７に進んで傾斜角度ｓを０°として処理を終了する。その他の場合は、傾斜角度ｓを更新することはなく処理を終了する。
【００３０】つまり、上述のように処理することにより、角度データが振動などの原因により不安定な値を示すときは、そのデータを無視して前回の傾斜角度ｓを維持することにより、傾斜計から取得した傾斜角度から加速度を含む外乱要素を除去することができる。
【００３１】図９はモータトルク発生手段Ｔを構成する各処理の一例を示している。Ｓｔ１は車椅子の補助動力機構１の動作モードＭを下記の表１に基づいて決定するステップである。表１に示すように、動作モードＭは基本的に前記回転数取得手段Ｒによって求めた今回の加速度Ａ₄および加速度の変化量Ａ₅を基にして定められる。なお、今回の速度Ａ₂が０の時は動作モードＭは０、速度Ａ₂が０未満の時は動作モードＭを１０とする。また、動作モードＭが９の時は前回の速度Ａ₃が０以下の時は動作モードＭを９－１、それ以外の時は９－２とする。
【００３２】
【表１】

【００３３】Ｓｔ２は決定された動作モードＭや傾斜角取得手段Ｓにより得た傾斜角度ｓや前記加速度の変化量Ａ₅などにしたがって、下記の表２に基づいて、前記モータ６によって供給する回転トルクを定めるステップである。表２において、前進トルクとは加速度の変化量Ａ₅に比例して変化するものであり、坂道でバランスするトルクとは傾斜角度ｓに比例して変化するものである。なお、車椅子２の速度が既定の最高速度に達して、さらにそれ以上に速度を上昇させようとした場合には、表２とは無関係に制動力をモータ６に加えるようにモータ６を制御することにより、思わぬ高速で走行してしまうことがなくなる。
【００３４】
【表２】

【００３５】制御部７はこれら３つの処理手段Ｒ，Ｓ，Ｔにより、前記傾斜角度および利用者の意思に合わせた適切な回転トルクを前記モータ６に出力させることができる。したがって、利用者は車椅子で坂道を登るときもモータ６の回転力により坂道でバランスできるので無理なく走行でき、利用者の疲労を最小限に抑えることができる。
【００３６】また、利用者が加速または減速しようとするとき、それが登り坂であっても平地であってもモータ６による加速補助または減速補助を受けるので、利用者の意思に機敏に対応することができ、使い勝手を良くすることができる。
【００３７】さらに、下り坂では傾斜角度に応じた制動力が常に加えられるので、利用者がたとえ下り坂で車輪２ｂから手を放すことがあったとしても、車椅子２が暴走することがない。したがって、介護者に負担をかけずに移動できるので車椅子２の利用者はより自由にかつ安全に行動的な生活をおくることが可能となる。
【００３８】加えて、本発明の車椅子の補助動力機構１は既存の車椅子２にワンタッチで取り付けることにより、使い慣れた車椅子２を動力補助機能付きとすることができるので、より扱いやすい。しかも、上述した補助動力機構１は車椅子２の改造を一切必要としないので、誰でも簡単に取り付けることができると共に、必要最小限のシンプルな構成であるので、無駄な資源を浪費することがなく、可及的に安価にて形成することができる。
【００３９】なお、本例の車椅子の補助動力機構１は単なる一例に過ぎず、様々な変形が可能である。例えば、上述の例では駆動輪４の取付け位置を車椅子の幅方向ほぼ中心とすることにより、駆動輪４を介して伝えられる動力を前後方向に効果的に伝達するようにしているが、この駆動輪４の位置を左右にシフト可能とし、車椅子２の方向転換を動力補助できるようにしてもよい。
【００４０】また、車椅子２に対する取付け方法もクランプ３ｂによるワンタッチ装着に限られるものではなく、ビス止めなどの固着手段を用いてより強固に固定してもよい。車椅子２の速度取得手段としてはモータ６に取り付けられたロータリーエンコーダに限られるものではなく、駆動輪４にロータリーエンコーダを取り付けても、機械式の速度計を取り付けてもよい。
【００４１】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、車椅子本体に対して何の改造も加えることなく、本発明の車椅子の補助動力機構を車椅子の下部に取り付けるだけで、既存の車椅子を動力補助機能を有する車椅子として使用することができる。また、使用者は既に使い慣れている車椅子に補助動力機構を取付けることができるので、コストを抑えることができるだけでなく、新しい車椅子を使用するときに伴う勝手の違いを感じることがない。つまり、使い慣れた車椅子でありながら傾斜角度に応じてモータから回転トルクが供給されるので、路面の傾斜角度に関係なく利用者は容易に移動でき、車椅子の使い勝手がさらに良くなる。
【００４２】また、前記本体に、車椅子の下部フレームをトグル機構によって締付けて本体を車椅子に取付け可能とするクランプを設けた場合には、車椅子の補助動力機構をワンタッチの操作によって極めて容易に車椅子に取り付けることができる。
【００４３】さらに、前記駆動輪の回転角を取得するロータリーエンコーダを有し、前記制御部が、回転角の変化量から速度を取得し速度の変化量から加速度を取得する回転数取得手段と、加速度と加速度の変化量を基に動作モードを定めてこの動作モードおよび前記傾斜角度に合わせた回転トルクを前記モータに出力させるモータトルク発生手段とを有する場合には、利用者の意思に対応して動力補助を行うことができ、平坦な路面を含めて移動速度を変えるときの補助動力を得ることができる。そして、前記制御部が傾斜計から取得した傾斜角度から加速度を含む外乱要素を除去する傾斜角度取得手段を有する場合には、僅かな外乱の影響を受けてモータが不必要な動力補助を頻繁に加えることがなくなり、車椅子の乗り心地を良くすると共に、電力の消費を抑えることができる。
【００４４】また、前記制御部が下り坂では傾斜角度に応じた制動力をモータに加えるものである場合には、特に下り坂において使用者が操作を余裕を持って行うことができるようになる。そして、前記制御部が車椅子の速度を監視し、これが既定の最高速度に達し、それ以上に速度が上昇しようとした場合に制動力をモータに加えるものである場合には、利用者が必要以上の速度を出すことがなくなり、安全である。

【出願人】	【識別番号】０００１９１３５３【氏名又は名称】新明工業株式会社
【出願日】	平成９年（１９９７）１２月２４日
【代理人】	【弁理士】【氏名又は名称】藤本英夫
【公開番号】	特開平１１－１７８８５９
【公開日】	平成１１年（１９９９）７月６日
【出願番号】	特願平９－３６７４００