パワーアシスト型の車いす
【課題】 パワーアシスト型の車いすにおいて、人が車いすに与えた人トルクを推定し、その推定した人トルクを倍率Ａ倍して人トルク補償電流を発生するように構成し、人トルク補償電流を任意に設定できる制御システムを提供すること。
【解決手段】 モータの電流制御部１１は、人トルク補償部４１の人トルク補償電流と、トルク補償部４２の転がり摩擦トルク補償電流、下りトルク補償電流により、モータ電流を制御して、パワーアシストを行う。人トルク補償部４１の人トルク補償電流は、同部の倍率Ａによって所定のアシスト率に設定する。人トルク分離部３２は、外乱トルクオブザーバ部３１の外乱トルクから、推定人トルクを分離する。外乱トルクオブザーバ部３１は、並進速度・回転角速度の推定計算部５２の推定並進速度と左右車輪の回転角速度の推定計算部５３の推定回転角速度により外乱トルクを推定する。
【解決手段】 モータの電流制御部１１は、人トルク補償部４１の人トルク補償電流と、トルク補償部４２の転がり摩擦トルク補償電流、下りトルク補償電流により、モータ電流を制御して、パワーアシストを行う。人トルク補償部４１の人トルク補償電流は、同部の倍率Ａによって所定のアシスト率に設定する。人トルク分離部３２は、外乱トルクオブザーバ部３１の外乱トルクから、推定人トルクを分離する。外乱トルクオブザーバ部３１は、並進速度・回転角速度の推定計算部５２の推定並進速度と左右車輪の回転角速度の推定計算部５３の推定回転角速度により外乱トルクを推定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、パワーアシスト型の車いすに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のパワーアシスト型車いすは、搭乗者がハンドリムを操作すると、その操作量に応じて車輪の駆動モータの回転力を制御している（例えば、特許文献１参照）。そしてその操作量は、トルクセンサによって検出している。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２７５９７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のパワーアシスト型の車いすは、搭乗者のハンドリムの操作量に応じてモータの回転力を制御するように構成されているが、アシスト量を任意に設定できるようには構成されていない。しかしながらパワーアシスト型の車いすは、アシスト量を任意に設定或いは変更したい場合がある。例えば、搭乗者が、リハビリを兼ねて車いすを使用する場合には、アシスト量を小さくして、搭乗者がハンドリムを操作しなければ車いすが進まないように設定する等搭乗者の体力や車いすの使用目的に合わせてアシスト量を任意に設定したい場合がある。また従来のパワーアシスト型の車いすは、トルクセンサにより搭乗者の操作トルクを検出しているから、介護者の操作トルクを検出するには、介護者用のトルクセンサを設けて、搭乗者と介護者の制御の切換えが必要になる。
【０００５】
本願発明は、従来のパワーアシスト型の車いすの前記問題点に鑑み、アシスト量を任意に設定でき、ハンドリム以外の部分に加わる操作トルク、例えば介護者がハンドルを操作したときの操作トルク等、任意な方向から車いすに加わるトルクを検出してパワーアシストできる車いす、及び車いすが走行する路面の転がり摩擦トルクや傾斜した路面の下りトルクも補償できる車いすを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明は、その目的を達成するため、請求項１に記載のパワーアシスト型の車いすは、加速度・傾斜角検出部により車いすの加速度を検出し、その加速度により車いすの並進速度と車輪の回転角速度を推定し、その並進速度と回転角速度により外乱トルクを推定し、その外乱トルクから推定人トルクを分離し、その推定人トルクに倍率を乗じたトルクを人トルク補償電流に変換し、その人トルク補償電流により車輪の駆動モータの電流を制御する制御システムを備えていることを特徴とする。
請求項２に記載のパワーアシスト型の車いすは、加速度・傾斜角検出部の車いすの加速度と路面の傾斜角を検出し、その加速度により車いすの並進速度と車輪の回転角速度を推定し、その並進速度と回転角速度により外乱トルクを推定し、その外乱トルクから推定人トルクを分離し、その推定人トルクに倍率を乗じたトルクを人トルク補償電流に変換し、その人トルク補償電流により車輪の駆動モータの電流を制御する、及び前記傾斜角により路面の転がり摩擦トルクと車いすの下りトルクを求め、その転がり摩擦トルクと下りトルクに夫々の補償係数を乗じたトルクを転がり摩擦トルク補償電流と下りトルク補償電流に変換し、その転がり摩擦トルク補償電流と下りトルク補償電流により車輪の駆動モータの電流を制御する制御システムを備えていることを特徴とする。
請求項３に記載のパワーアシスト型の車いすは、請求項１又は請求項２に記載のパワーアシスト型の車いすにおいて、前記駆動モータは、２つの車輪の夫々に設けてあり、前記制御システムはモータ毎に設けてあることを特徴とする。
請求項４に記載のパワーアシスト型の車いすは、請求項３に記載のパワーアシスト型の車いすにおいて、前記２つのモータのいずれか一方のモータの前記制御システムは、前記推定人トルクに２つの車輪の人トルクのバランスを取るバランス補償ゲインを乗じる手段を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本願発明は、人が車いすに与えた（入力した）人トルクを推定し、その推定した人トルクとアシストの倍率（アシスト率）Ａとにより人補償トルクを求め、その人補償トルクを人トルク補償電流に変換してモータの電流制御部へ供給し、モータ電流を制御する。したがって本願発明は、倍率（アシスト率）Ａを所定の値に設定或いは変更することにより、アシスト量を任意に設定でき、車いすの搭乗者の体力に合わせて搭乗者が負担する操作量を任意に設定できる。
本願発明は、加速度センサの検出信号に基づいて人トルクを推定するから、搭乗者、介護者のいずれが車いすを操作しても、またいずれの方向から操作しても同じ加速度センサで加速度を検出できる。
本願発明は、路面の傾斜角に基づいて転がり摩擦トルクや下りトルクを求め、所定の補償係数を用いて転がり摩擦補償トルクや下り補償トルクを求めてモータ電流を制御し、パワーアシストを行うから、車いすは、路面の状況に関係なく円滑に走行することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１〜図８により本願発明の実施例に係るパワーアシスト型の車いすを説明する。なお各図に共通の部分は、同じ符号を使用している。また本願発明のパワーアシスト型の車いすは、左右の車輪を別々の独立したモータによって駆動するが、各モータの制御システムは、略同じであるから、ブロック図は原則として同じ符号を使用している。
【０００９】
まず図１によりパワーアシスト型の車いすの概要を説明する。
図１（ａ）は、傾斜角θの斜面に置かれた車いすの側面図であり、図１（ｂ）は、車いすの概要を示す平面図である。
図１において、９は車いす、９１ｌ，９１ｒは左右の車輪、９２ｌ，９２ｒは左右のハンドリム、９３ｌ，９３ｒは左右の車輪の駆動モータ、９４は介護者が操作するハンドルである。θは路面の傾斜角、ｖは車いす９の並進速度、ωrは右車輪９１ｒの回転角速度、ωlは左車輪９１ｌの回転角速度、ωxは車いす９の回転角速度、Ｄは左右の車輪９１ｌ，９１ｒの直径、Ｗは左右の車輪９１ｌ，９１ｒの間隔（距離）である。
左右の車輪９３ｌ，９３ｒの車軸は、同一直線に配置し、その中点Ｍに２軸の加速度センサ（図示せず）を配置してある。車いす９は、傾斜角θの路面を並進速度ｖで矢印方向へ進む。
【００１０】
図２は、本願発明の実施例に係る車いすの制御システムの概要図である。
図２において、上半分は、右車輪の制御システム、下半分は、左車輪の制御システム、右上の（５１〜５３）は、左右の車輪に共通の部分である。
ここでは右車輪の制御システムを例に説明する。
電流制御部１１は、人トルク補償部４１（以下トルク補償部４１と呼ぶ）の人トルク補償ｉarcomp1及び転がり摩擦トルク・下りトルク補償部４２（以下トルク補償部４２と呼ぶ）の転がり摩擦トルクの補償電流ｉarcomp2、下りトルクの補償電流ｉarcomp3によりモータ電流ｉarがそれらの補償電流の加算した値となるように制御し、モータが所定のパワーアシストを行うように制御する。
モータの電流制御部１１のモータ電流ｉarは、モータ部１２においてモータトルクＴMrに変換されて機構部２１へ供給される。機構部２１には、外乱トルク部２２の外乱トルクも供給される。外乱トルクには、人が車いすに加えた（入力した）トルク（人トルク）、車輪の転がり摩擦トルク、車いすの下りトルク（車いすが坂を下ろうとするトルク）がある。
なお車いすの左右車輪の回転速度は、加速度センサから得られる信号を積分して得ている。加速度センサや積分計算上の誤差が含まれると、実際の回転速度と計算によって得られた回転速度が異なる。モータには、ロータ位置を検出するためのホールセンサが取付けられているが低分解能であるため短時間に高精度な速度を得ることができない。しかしホールセンサ信号のパルス間隔を計測することで、実モータの正確な左右車輪の回転速度ωr，ωlを検出できる。そこである時間毎に得られる実際の回転速度と計算による回転速度の比ｋcx，ｋcyを求め、それらを用いて計算速度を補正することにより、より正確な回転速度を得ることができる。またさらに、実際の回転速度を積分演算の初期値とすることによって、一層正確な回転速度を連続して得ることができる。ここで、ロータ位置とは、ブラシレスＤＣモータの回転子に取付けた磁石の位置（Ｓ極、Ｎ極）の正確な位置を知るための回転角である。
【００１１】
機構部２１は、モータトルク、外乱トルクと、後述する車いす及び車輪の粘性制動係数とにより、車輪の回転角速度ωrを求めてモータ部１１へフィードバックする。モータ部１２は、回転角速度ωrを電圧に変換して電流制御部１２へフィードバックする。
外乱トルクオブザーバ部３１は、並進速度・回転角速度の推定計算部５２（以下推定計算部５２と呼ぶ）の推定並進速度（＾付ｖ）と左右車輪の回転角速度の推定計算部５３（以下推定計算部５３と呼ぶ）の推定回転角速度（＾付ωr）によってモータトルクと外乱トルクを推定する。また外乱トルクオブザーバ部３１は、電流制御部１１のモータ電流ｉarによりモータトルクＴMrを得る。外乱トルクオブザーバ部３１は、推定したモータトルク、外乱トルクとモータ電流ｉarから得たモータトルクとにより外乱トルクを抽出する。人トルク分離部３２は、外乱トルクオブザーバ部３１が抽出した外乱トルクからハイパスフィルタによって推定人トルク（＾付ＴHr）を分離する。
【００１２】
補償部４１は、推定人トルク（＾付ＴHr）を所定の倍率（アシスト率）倍して増力し、人トルク補償電流ｉarcomp1を発生する。またトルク補償器４２は、加速度・傾斜角検出部５１の傾斜角θにより転がり摩擦トルクと下りトルクを求め、それらのトルクに夫々補償係数を乗じてそれらの補償トルクを求めて転がり摩擦トルク補償電流ｉarcomp2と下りトルク補償電流ｉarcomp3を発生する。
加速度・傾斜角検出部５１は、車いすに取付けた２軸型加速度センサにより、車いすの進行方向（Ｘ軸）の加速度ＡＣＣxと９０度異なる進行方向（Ｙ軸）の加速度ＡＣＣyを検出する。また２軸型加速度センサは、傾斜角度に応じて直流のオフセット電圧を発生するため、その情報を用いて傾斜角θを検出する。２軸型加速度センサによって得られる加速度成分と傾斜角成分は、周波数が異なるため、フィルタによって分離抽出することができる。
推定計算部５２は、加速度ＡＣＣxと加速度ＡＣＣyにより、推定並進速度（＾付ｖ）と推定回転角速度（＾付ωX）を推定する。左右車輪の回転角速度の推定計算部５３（以下推定計算部５３と呼ぶ）は、左右車輪の推定回転角速度（＾付ωl）と（＾付ωr）を推定する。
モータ回転方向検出部６１は、回転角速度（＾付ωr）により右車輪の回転方向を検出して、トルク補償部４２へ供給する。トルク補償部４２は、車輪の回転方向により加速か減速かを決める。
【００１３】
以上右車輪の制御システムについて説明した。左車輪の制御システムは、右車輪の制御システムと略同じであるが、左車輪の制御システムは、人が入力した左右の車輪のトルクのバランスを取るため、バランス補償ゲインＢを付与する手段を設けている。この点で、左車輪の制御システムは、右車輪の制御システムと異なる。
【００１４】
図２の車輪の制御システムは、加速度・傾斜角検出部５１において加速度センサが検出した信号から車いすの加速度と路面の傾斜角を検出し、推定計算部５２，５３においてその加速度により車いすの並進速度と左右の車輪の回転角速度を推定し、外乱オブブザーバ部３１においてその推定した並進速度、回転角速度とモータトルクにより外乱トルクを推定し、人トルク分離部３２においてその推定した外乱トルクから人が車いすに加えたトルク（人トルク）を推定している。人トルク補償部４１は、その推定した人トルクに倍率（アシスト率）を乗じて増力し、その増力した人トルクを人トルク補償電流に変換して、モータの電流制御部１１へ供給する。他方トルク補償部４２は、加速度・傾斜角検出部５１が検出した傾斜角により、転がり摩擦トルクと下りトルクを求め、それらのトルクに補償係数を乗じて補償トルクを求め、それらの補償トルクを転がり摩擦トルク補償電流と下りトルク補償電流に変換してモータの電流制御部１１へ供給する。電流制御部１１は、トルク補償部４１，４２の補償電流によりモータ電流を制御して、パワーアシストを行う。
なお車いすの左右車輪の回転速度は、加速度センサから得られる信号を積分して得ている。加速度センサや積分計算上の誤差が含まれると、実際の回転速度と計算によって得られた回転速度が異なる。モータには、ロータ位置を検出するためのホールセンサが取付けられているが低分解能であるため短時間に高精度な速度を得ることができない。しかしホールセンサ信号のパルス間隔を計測することで、実モータの正確な左右車輪の回転速度ωr，ωlを検出できる。そこである時間毎に得られる実際の回転速度と計算による回転速度の比ｋcx，ｋcyを求め、それらを用いて計算速度を補正することにより、より正確な回転速度を得ることができる。またさらに、実際の回転速度を積分演算の初期値とすることによって、一層正確な回転速度を連続して得ることができる。ここで、ロータ位置とは、ブラシレスＤＣモータの回転子に取付けた磁石の位置（Ｓ極、Ｎ極）の正確な位置を知るための回転角である。
【００１５】
次に図２の各部の関係について式を用いて説明する。
図１において、中点Ｍの並進速度をｖ、回転角速度をωx、右車輪の回転角速度をωr、左車輪の回転角速度をωl、左右の車輪の間隔（距離）をＷ、右車輪の半径をＲr、左車輪の半径をＲl、とすると、
車いすの並進速度ｖ、回転角速度ωxは、次式となる
【数１】
【００１６】
車いすの全質量をｍ［ｋｇ］、車輪の直径をＤ［ｍ］、並進速度をｖ［ｍ／ｓ］、車輪と路面の転がり摩擦係数をμ、重力加速度ｇ＝９．８０７ｍ／ｓ2、路面の傾き（傾斜角）をθ［ｒａｄ］、車いすと空気の粘性制動係数をＤA、車輪の粘性制動係数をＤLとすると、車いすが直進走行するのに必要なトルクＴ［Ｎｍ］と左右の車輪の回転角速度をωl，ωr［ｒａｄ／ｓ］は、夫々次式で求めることができる。
【数２】
式（２）のＪLは、人が搭乗した車いすのモータ軸から見た等価慣性モーメント［ｋｇｍ2］を表しており、次式で求めることができる。
【数３】
式（２）のトルクＴは、第１項、第２項に示す加速トルク、第３項、第４項に示す粘性制動トルク、第５項に示す車輪と路面の転がり摩擦トルクと傾斜角θによる下りトルクの和となる。
【００１７】
車いすの車速は、通常最大６ｋｍ（ＪＩＳで規定されている）であるから、粘性制動トルクは、加速・減速トルク、転がり摩擦トルク及び下りトルクと比較して極めて小さいため無視できる。
推定人トルク（＾付ＴHr）は、加速度・傾斜角検出部５１が検出した加速度ＡＣＣxと加速度ＡＣＣyにより、次のように求めることができる。
車いすのＸ軸方向の推定並進速度（＾付ｖx）とＹ軸方向の推定並進速度（＾付ｖy）は、次の式により求める。
【数４】
これにより、車いすの推定並進速度（＾付ｖ）は、次式となる。
【数５】
これにより、推定計算部５２は、車いすの推定並進速度（＾付ｖ）を推定する。
【００１８】
一方車いすの推定回転角速度（＾付ωX）は、加速度センサの検出信号のサンプリング時間をΔｔとすると、次式により求めることができる。
【数６】
これにより、推定計算部５２は、車いすの推定回転角速度（＾付ωX）を推定する。
【００１９】
また左右の車輪の推定回転角速度（＾付ωl）,（＾付ωr）は、次式で求めることができる。
【数７】
これにより、推定計算部５３は、左右の車輪の推定回転角速度（＾付ωl），（＾付ωr）を推定する。
【００２０】
右車輪の駆動モータに印加される外乱トルクＴdisrは、人トルクＴHr、転がり摩擦トルク及び下りトルクとの和であり、また式（２）の車いすが直進走行するのに必要なトルクＴは、モータトルクＴMrと人トルクＴHrの和であるから、外乱トルクＴdisrは、式（２）により求めることができ、次式のようになる。なお式（２）の粘性制動トルクは、前記したように極めて小さく無視できる。
【数８】
これにより、外乱トルクオブザーバ部３１は、外乱トルクＴdisrを求めることができる。
【００２１】
外乱トルクＴdisrは、人トルクＴHr、転がり摩擦トルク及び下りトルクの３成分からなり、転がり摩擦トルク及び下りトルクの変動周波数は、人トルクＴHrの変動周波数よりも低い。そこで、推定人トルク（＾付ＴHr）は、ハイパスフィルタにより外乱トルクＴdisrから、次式により分離することができる。
【数９】
ここでτ2はハイパスフィルタの時定数である。
これにより、人トルク分離部３２は、推定人トルク（＾付ＴHr）を求めることができる。
左車輪の推定人トルク（＾付ＴHl）も同様に求めることができる。
【００２２】
次にトルク補償部４１，４２の補償電流について説明する。
右車輪と左車輪の人トルク補償電流ｉarcomp1，ｉalcomp1は、推定人トルク（＾付ＴHr）、（＾付ＴHl）に任意の倍率Ａ（Ａ＞１）で増力して次式で求めることができる。倍率Ａは、値が大きくなるほど、増力するトルクが大きくなる。Ａ＝１は、パワーアシストを行わない状態である。
【数１０】
ここでＢは、左右の車輪のトルクのバランスを取るためのバランス補償ゲインである。
これにより、トルク補償部４１は、人トルク補償電流ｉarcomp1、ｉalcomp1を発生する。
【００２３】
右車輪と左車輪の転がり摩擦トルクの補償電流ｉarcomp2，ｉalcomp2は、搭乗者を含む車いすの質量ｍ、車輪と路面の転がり摩擦係数μ、転がり摩擦トルクを補償する補償係数α（０≦α＜１）を用いて、次式で求めることができる。
【数１１】
これによりトルク補償部４２は、転がり摩擦トルクの補償電流ｉarcomp2，ｉalcomp2を発生する。
【００２４】
右車輪と左車輪の下りトルクの補償電流ｉarcomp3，ｉalcomp3は、搭乗者を含む車いすの質量ｍ、傾斜角θ、下りトルクを補償する補償係数β（０≦β＜１）を用いて、次式で求めることができる。
【数１２】
これにより、補償部４２は、下りトルクの補償電流ｉarcomp3，ｉalcomp3を発生する。
【００２５】
次に図３、図４のブロック図を用いて図２の制御システムを具体的に説明する。
図３は、右車輪の制御システムであり、図４は、左車輪の制御システムである。
図３、図４は、機械的パラメータと電気的パラメータを用いて記載した車いすのブロック図である。
ここでは右車輪の制御システムを例に説明する。
電流制御部１１のモータ電流ｉarは、ブロック１２１によりモータトルクＴMrに変換される。モータトルクＴMrは、ブロック２２１の人トルクＴHrとブロック２２２の転がり摩擦トルク、下りトルクとともにブロック２１３へ供給される。ブロック２１３には、ブロック２１１の車いすの空気による粘性制動トルクとブロック２１２の車軸のベアリング等の粘性制動トルクも供給される。なお車いすの走行速度は速くないから、空気による粘性制動トルクは無視できる。ブロック２１３は、供給されたトルクを回転角速度ωrに変換する。回転角速度ωrは、ブロック２１２とブロック１２２へ供給される。ブロック１２２は、回転角速度ωrを電圧に変換して電流制御部１１へ逆起電力をフィードバックして電流制御を忠実に行っている（原理的にはフィードバックはなくてもよい）。ここでブロック１２１のＫTは、モータのトルク定数（Ｎｍ／Ａ）、ブロック１２２のＫEは、モータの逆起電力定数（Ｖｓ／ｒａｄ）、ブロック２１３のｓは、ラプラス演算子、ブロック３１５，３１６のτ1は、ローパスフィルタの時定数、ブロック３２のτ2は、ハイパスフィルタの時定数である。
【００２６】
推定計算部５２の推定並進速度（＾付ｖ）は、ブロック５４を介してブロック２１１，３１４へ供給され、粘性制動トルクに変換される。推定計算部５３の推定回転角速度（＾付ωr）は、ブロック３１２へ供給され、モータトルクと外乱トルクに変換される。また推定計算部５３の推定回転角速度（＾付ωr）は、ブロック３１１へ供給され、粘性制動トルクに変換される。ブロック３１５は、ローパスフィルタで、高周波雑音を除去する。ブロック１２３は、モータ電流ｉarをモータトルクＴMrに変換し、ブロック３１６により位相補償を行う。ブロック３１６は、ブロック３１５によって位相が変化しているため、その変化分を補償してブロック３１５の出力とブロック３１６の出力の位相を一致させる。ブロック３２は、推定人トルク（＾付ＴHr）を分離するハイパスフィルタで、ブロック３１５とブロック３１６の差信号、即ち外乱トルクを受信し、その外乱トルクから推定人トルク（＾付ＴHr）を分離する。推定人トルク（＾付ＴHr）は、ブロック４１１により（Ａ−１）倍に増力され、ブロック４１２により人トルク補償ｉarcomp1に変換される。
【００２７】
トルク補償部４２は、加速度・傾斜角検出部５１が検出した傾斜角θと転がり摩擦トルク補償係数α、下りトルク補償係数βとにより、それらの補償トルクを求め、転がり摩擦トルクの補償電流ｉarcomp2、下りトルクの補償ｉarcomp3を発生する。
電流制御部１１は、ブロック４１２とトルク補償部４２の補償電流によりモータ電流ｉarを制御する。
【００２８】
次に図４により左車輪の制御システムを説明する。
図４の制御システムは、ブロック４１３を除き図３の制御システムと同じである。ブロック４１３は、左右の車輪のトルクのバランスを取るため、推定人トルク（＾付ＴHr）にバランス補償ゲインＢを乗じて左右の車輪の補償トルクを調整している。
【００２９】
図５は、図２、図３のトルク補償部４１、トルク補償部４２、電流制御部１１の具体例を示す。
図２のトルク補償部４１は、ブロック４１１，４１２からなり、図３で説明したように、ブロック４１１は、推定人トルク（＾付ＴHr）を（Ａ−１）倍し，ブロック４１２は、人トルク補償電流ｉarcomp1に変換する。図２のトルク補償部４２は、ブロック４２１１，４２１２、ブロック４２２１，４２２２からなる。ブロック４２２１は、傾斜角θにより転がり摩擦トルクを計算し、ブロック４２２２は、その転がり摩擦トルクを補償電流ｉarcomp2に変換する。ブロック４２１１は、傾斜角θにより下りトルクを計算し、ブロック４２１２は、その下りトルクを補償電流ｉarcomp3に変換する。
【００３０】
図２の電流制御部１１は、制御器１１１、電流検流器１１２からなり、電流検流器１１２は、モータ電流ｉarを検出して制御器１１１へフィードバックする。制御器１１１は、３相の電流アンプからなり、指令されたｑ軸電流をモータに供給する。モータの駆動回路は、ＰＷＭ（パルス幅変調）により制御する。なおｑ軸電流は、モータ発生トルクに有効な電流で、モータ解析の際ｄ軸とｑ軸（９０度直交する軸）に分けて検討する。モータトルクＴMrは、前記したようにモータ電流ｉarとモータのトルク定数ＫTによって表される。
【００３１】
図６は、図２の加速度・傾斜角検出部５１の具体的構成を示す。
車いすに設置した２軸加速度センサ５１０の検出信号から、ローパスフィルタ５１１とローパスフィルタ５１２によってＸ軸情報とＹ軸情報を取出す。そのＸ軸情報からローパスフィルタ５１５とハイパスフィルタ５１６によって、Ｘ軸傾斜角とＸ軸加速度を検出する。またＹ軸情報からローパスフィルタ５１７とハイパスフィルタ５１８によって、Ｙ軸傾斜角とＹ軸加速度を検出する。２軸加速度センサ５１０は、Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ社（米国）のＡＤＸＬ２０２を使用した。
なお図６は、加速度と傾斜角を１個の加速度センサによって抽出する例について説明したが、加速度センサと傾斜角センサを別々に設置してもよい。
【００３２】
図７は、実施例の制御システムにおける人トルク（人が入力したトルク）の推定のシミュレーション結果を示す。図７において、縦軸は人トルク［Ｎｍ］であり、横軸は時間［ｓｅｃ］である。
シミュレーションに用いたパラメータは、車いすの質量ｍは１００ｋｇ、車輪の直径は０．５５８ｍ、モータの逆起電力定数ＫEは３．０Ｖｓ／ｒａｄ、モータのトルク定数ＫTは３．０Ｎｍ／Ａ、モータの電機子抵抗は０．１３Ω、モータの電機子インダクタンスは０．００５Ｈ、ローパスフィルタのτ1は０．００１ｓ、ハイパスフィルタのτ2は１００ｓ、車軸の粘性制動係数ＤLは０．１Ｎｍｓ／ｒａｄ、空気の粘性制動係数ＤAは０．００１Ｎｓ／ｍ、転がり摩擦係数μは０．０３である。
【００３３】
シミュレーションは、車いすの車軸の中心に加速度センサを設置し、左右の車輪に異なるトルクを与え、パワーアシストを行わない条件（倍率Ａ＝１）で行った。また加速度センサが出力する加速度情報は、アナログ信号であるから１２ビットのＡＤコンバータを用いてデジタル信号に変換して推定計算を行った。人トルクは、右車輪に人トルクＴHr＝１０．０ｓｉｎ（ωｔ）、左車輪に人トルクＴHl＝７．０ｓｉｎ（ωｔ）の正弦波のプラス成分（半波整流成分）のトルクを与えた（マイナスのときは０とした）。
図７から、実施例の制御システムは、左右の車輪に印加した正弦波状のトルクが正しく推定できていることが分かる。
【００３４】
図８は、実施例の制御システムにおける並進速度ｖのシミュレーション結果を示す。図８において、縦軸は並進速度［ｍ／ｓｅｃ］であり、横軸は時間［ｓｅｃ］である。
図８（ａ）は、倍率Ａ＝１、右車輪に人トルクＴHr＝１０．０ｓｉｎ（ωｔ）、左車輪に人トルクＴHl＝７．０ｓｉｎ（ωｔ）の正弦波のプラス成分のトルクを与えた場合、図８（ｂ）は、倍率Ａ＝４、右車輪に人トルクＴHr＝２．５ｓｉｎ（ωｔ）、左車輪に人トルクＴHl＝１．７５ｓｉｎ（ωｔ）の正弦波のプラス成分のトルクを与えた場合である。
図８から、実施例の制御システムの推定値は、理論値に略一致しており、パワーアシストが正しく行われていることが分かる。なお前記したように（図２の説明において記載したように）モータの回転速度を用いて計算速度を補正することにより推定値は、理論値と一致する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本願発明の実施例を説明するための車いすの側面図と平面図である。
【図２】本願発明の実施例に係る車いすの制御システムの概要を示す図である。
【図３】本願発明の実施例に係る車いすの制御システム（右車輪）を機械的パラメータと電気的パラメータを用いて記載したブロック図である。
【図４】本願発明の実施例に係る車いすの制御システム（左車輪）を機械的パラメータと電気的パラメータを用いて記載したブロック図である。
【図５】図２の制御システムのトルク補償部と電流制御部の具体例を示す図である。
【図６】図２の制御システムの加速度・傾斜角検出部の具体例を示す図である。
【図７】本願発明の実施例の制御システムにおける人トルク（人が入力したトルク）の推定のシミュレーション結果を示す。
【図８】本願発明の実施例の制御システムにおける車いすの並進速度のシミュレーション結果を示す。
【符号の説明】
【００３６】
１１ 電流制御部
１２ モータ部
２１ 機構部
２２ 外乱トルク部
３１ 外乱トルクオブザーバ部
３２ 人トルク分離部
４１ 人トルク補償部
４２ 転がり摩擦トルク・下りトルク補償部
５１ 加速度・傾斜角検出部
５２ 並進速度・回転角速度の推定計算部
５３ 左右車輪の回転角速度の推定計算部
６１ モータ回転方向検出部
９ 車いす
９１ｌ，９１ｒ 左右の車輪
９２ｌ，９２ｒ 左右ハンドリム
９３ｌ，９３ｒ 左右の車輪の駆動モータ
９４ ハンドル
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、パワーアシスト型の車いすに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のパワーアシスト型車いすは、搭乗者がハンドリムを操作すると、その操作量に応じて車輪の駆動モータの回転力を制御している（例えば、特許文献１参照）。そしてその操作量は、トルクセンサによって検出している。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２７５９７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のパワーアシスト型の車いすは、搭乗者のハンドリムの操作量に応じてモータの回転力を制御するように構成されているが、アシスト量を任意に設定できるようには構成されていない。しかしながらパワーアシスト型の車いすは、アシスト量を任意に設定或いは変更したい場合がある。例えば、搭乗者が、リハビリを兼ねて車いすを使用する場合には、アシスト量を小さくして、搭乗者がハンドリムを操作しなければ車いすが進まないように設定する等搭乗者の体力や車いすの使用目的に合わせてアシスト量を任意に設定したい場合がある。また従来のパワーアシスト型の車いすは、トルクセンサにより搭乗者の操作トルクを検出しているから、介護者の操作トルクを検出するには、介護者用のトルクセンサを設けて、搭乗者と介護者の制御の切換えが必要になる。
【０００５】
本願発明は、従来のパワーアシスト型の車いすの前記問題点に鑑み、アシスト量を任意に設定でき、ハンドリム以外の部分に加わる操作トルク、例えば介護者がハンドルを操作したときの操作トルク等、任意な方向から車いすに加わるトルクを検出してパワーアシストできる車いす、及び車いすが走行する路面の転がり摩擦トルクや傾斜した路面の下りトルクも補償できる車いすを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明は、その目的を達成するため、請求項１に記載のパワーアシスト型の車いすは、加速度・傾斜角検出部により車いすの加速度を検出し、その加速度により車いすの並進速度と車輪の回転角速度を推定し、その並進速度と回転角速度により外乱トルクを推定し、その外乱トルクから推定人トルクを分離し、その推定人トルクに倍率を乗じたトルクを人トルク補償電流に変換し、その人トルク補償電流により車輪の駆動モータの電流を制御する制御システムを備えていることを特徴とする。
請求項２に記載のパワーアシスト型の車いすは、加速度・傾斜角検出部の車いすの加速度と路面の傾斜角を検出し、その加速度により車いすの並進速度と車輪の回転角速度を推定し、その並進速度と回転角速度により外乱トルクを推定し、その外乱トルクから推定人トルクを分離し、その推定人トルクに倍率を乗じたトルクを人トルク補償電流に変換し、その人トルク補償電流により車輪の駆動モータの電流を制御する、及び前記傾斜角により路面の転がり摩擦トルクと車いすの下りトルクを求め、その転がり摩擦トルクと下りトルクに夫々の補償係数を乗じたトルクを転がり摩擦トルク補償電流と下りトルク補償電流に変換し、その転がり摩擦トルク補償電流と下りトルク補償電流により車輪の駆動モータの電流を制御する制御システムを備えていることを特徴とする。
請求項３に記載のパワーアシスト型の車いすは、請求項１又は請求項２に記載のパワーアシスト型の車いすにおいて、前記駆動モータは、２つの車輪の夫々に設けてあり、前記制御システムはモータ毎に設けてあることを特徴とする。
請求項４に記載のパワーアシスト型の車いすは、請求項３に記載のパワーアシスト型の車いすにおいて、前記２つのモータのいずれか一方のモータの前記制御システムは、前記推定人トルクに２つの車輪の人トルクのバランスを取るバランス補償ゲインを乗じる手段を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本願発明は、人が車いすに与えた（入力した）人トルクを推定し、その推定した人トルクとアシストの倍率（アシスト率）Ａとにより人補償トルクを求め、その人補償トルクを人トルク補償電流に変換してモータの電流制御部へ供給し、モータ電流を制御する。したがって本願発明は、倍率（アシスト率）Ａを所定の値に設定或いは変更することにより、アシスト量を任意に設定でき、車いすの搭乗者の体力に合わせて搭乗者が負担する操作量を任意に設定できる。
本願発明は、加速度センサの検出信号に基づいて人トルクを推定するから、搭乗者、介護者のいずれが車いすを操作しても、またいずれの方向から操作しても同じ加速度センサで加速度を検出できる。
本願発明は、路面の傾斜角に基づいて転がり摩擦トルクや下りトルクを求め、所定の補償係数を用いて転がり摩擦補償トルクや下り補償トルクを求めてモータ電流を制御し、パワーアシストを行うから、車いすは、路面の状況に関係なく円滑に走行することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１〜図８により本願発明の実施例に係るパワーアシスト型の車いすを説明する。なお各図に共通の部分は、同じ符号を使用している。また本願発明のパワーアシスト型の車いすは、左右の車輪を別々の独立したモータによって駆動するが、各モータの制御システムは、略同じであるから、ブロック図は原則として同じ符号を使用している。
【０００９】
まず図１によりパワーアシスト型の車いすの概要を説明する。
図１（ａ）は、傾斜角θの斜面に置かれた車いすの側面図であり、図１（ｂ）は、車いすの概要を示す平面図である。
図１において、９は車いす、９１ｌ，９１ｒは左右の車輪、９２ｌ，９２ｒは左右のハンドリム、９３ｌ，９３ｒは左右の車輪の駆動モータ、９４は介護者が操作するハンドルである。θは路面の傾斜角、ｖは車いす９の並進速度、ωrは右車輪９１ｒの回転角速度、ωlは左車輪９１ｌの回転角速度、ωxは車いす９の回転角速度、Ｄは左右の車輪９１ｌ，９１ｒの直径、Ｗは左右の車輪９１ｌ，９１ｒの間隔（距離）である。
左右の車輪９３ｌ，９３ｒの車軸は、同一直線に配置し、その中点Ｍに２軸の加速度センサ（図示せず）を配置してある。車いす９は、傾斜角θの路面を並進速度ｖで矢印方向へ進む。
【００１０】
図２は、本願発明の実施例に係る車いすの制御システムの概要図である。
図２において、上半分は、右車輪の制御システム、下半分は、左車輪の制御システム、右上の（５１〜５３）は、左右の車輪に共通の部分である。
ここでは右車輪の制御システムを例に説明する。
電流制御部１１は、人トルク補償部４１（以下トルク補償部４１と呼ぶ）の人トルク補償ｉarcomp1及び転がり摩擦トルク・下りトルク補償部４２（以下トルク補償部４２と呼ぶ）の転がり摩擦トルクの補償電流ｉarcomp2、下りトルクの補償電流ｉarcomp3によりモータ電流ｉarがそれらの補償電流の加算した値となるように制御し、モータが所定のパワーアシストを行うように制御する。
モータの電流制御部１１のモータ電流ｉarは、モータ部１２においてモータトルクＴMrに変換されて機構部２１へ供給される。機構部２１には、外乱トルク部２２の外乱トルクも供給される。外乱トルクには、人が車いすに加えた（入力した）トルク（人トルク）、車輪の転がり摩擦トルク、車いすの下りトルク（車いすが坂を下ろうとするトルク）がある。
なお車いすの左右車輪の回転速度は、加速度センサから得られる信号を積分して得ている。加速度センサや積分計算上の誤差が含まれると、実際の回転速度と計算によって得られた回転速度が異なる。モータには、ロータ位置を検出するためのホールセンサが取付けられているが低分解能であるため短時間に高精度な速度を得ることができない。しかしホールセンサ信号のパルス間隔を計測することで、実モータの正確な左右車輪の回転速度ωr，ωlを検出できる。そこである時間毎に得られる実際の回転速度と計算による回転速度の比ｋcx，ｋcyを求め、それらを用いて計算速度を補正することにより、より正確な回転速度を得ることができる。またさらに、実際の回転速度を積分演算の初期値とすることによって、一層正確な回転速度を連続して得ることができる。ここで、ロータ位置とは、ブラシレスＤＣモータの回転子に取付けた磁石の位置（Ｓ極、Ｎ極）の正確な位置を知るための回転角である。
【００１１】
機構部２１は、モータトルク、外乱トルクと、後述する車いす及び車輪の粘性制動係数とにより、車輪の回転角速度ωrを求めてモータ部１１へフィードバックする。モータ部１２は、回転角速度ωrを電圧に変換して電流制御部１２へフィードバックする。
外乱トルクオブザーバ部３１は、並進速度・回転角速度の推定計算部５２（以下推定計算部５２と呼ぶ）の推定並進速度（＾付ｖ）と左右車輪の回転角速度の推定計算部５３（以下推定計算部５３と呼ぶ）の推定回転角速度（＾付ωr）によってモータトルクと外乱トルクを推定する。また外乱トルクオブザーバ部３１は、電流制御部１１のモータ電流ｉarによりモータトルクＴMrを得る。外乱トルクオブザーバ部３１は、推定したモータトルク、外乱トルクとモータ電流ｉarから得たモータトルクとにより外乱トルクを抽出する。人トルク分離部３２は、外乱トルクオブザーバ部３１が抽出した外乱トルクからハイパスフィルタによって推定人トルク（＾付ＴHr）を分離する。
【００１２】
補償部４１は、推定人トルク（＾付ＴHr）を所定の倍率（アシスト率）倍して増力し、人トルク補償電流ｉarcomp1を発生する。またトルク補償器４２は、加速度・傾斜角検出部５１の傾斜角θにより転がり摩擦トルクと下りトルクを求め、それらのトルクに夫々補償係数を乗じてそれらの補償トルクを求めて転がり摩擦トルク補償電流ｉarcomp2と下りトルク補償電流ｉarcomp3を発生する。
加速度・傾斜角検出部５１は、車いすに取付けた２軸型加速度センサにより、車いすの進行方向（Ｘ軸）の加速度ＡＣＣxと９０度異なる進行方向（Ｙ軸）の加速度ＡＣＣyを検出する。また２軸型加速度センサは、傾斜角度に応じて直流のオフセット電圧を発生するため、その情報を用いて傾斜角θを検出する。２軸型加速度センサによって得られる加速度成分と傾斜角成分は、周波数が異なるため、フィルタによって分離抽出することができる。
推定計算部５２は、加速度ＡＣＣxと加速度ＡＣＣyにより、推定並進速度（＾付ｖ）と推定回転角速度（＾付ωX）を推定する。左右車輪の回転角速度の推定計算部５３（以下推定計算部５３と呼ぶ）は、左右車輪の推定回転角速度（＾付ωl）と（＾付ωr）を推定する。
モータ回転方向検出部６１は、回転角速度（＾付ωr）により右車輪の回転方向を検出して、トルク補償部４２へ供給する。トルク補償部４２は、車輪の回転方向により加速か減速かを決める。
【００１３】
以上右車輪の制御システムについて説明した。左車輪の制御システムは、右車輪の制御システムと略同じであるが、左車輪の制御システムは、人が入力した左右の車輪のトルクのバランスを取るため、バランス補償ゲインＢを付与する手段を設けている。この点で、左車輪の制御システムは、右車輪の制御システムと異なる。
【００１４】
図２の車輪の制御システムは、加速度・傾斜角検出部５１において加速度センサが検出した信号から車いすの加速度と路面の傾斜角を検出し、推定計算部５２，５３においてその加速度により車いすの並進速度と左右の車輪の回転角速度を推定し、外乱オブブザーバ部３１においてその推定した並進速度、回転角速度とモータトルクにより外乱トルクを推定し、人トルク分離部３２においてその推定した外乱トルクから人が車いすに加えたトルク（人トルク）を推定している。人トルク補償部４１は、その推定した人トルクに倍率（アシスト率）を乗じて増力し、その増力した人トルクを人トルク補償電流に変換して、モータの電流制御部１１へ供給する。他方トルク補償部４２は、加速度・傾斜角検出部５１が検出した傾斜角により、転がり摩擦トルクと下りトルクを求め、それらのトルクに補償係数を乗じて補償トルクを求め、それらの補償トルクを転がり摩擦トルク補償電流と下りトルク補償電流に変換してモータの電流制御部１１へ供給する。電流制御部１１は、トルク補償部４１，４２の補償電流によりモータ電流を制御して、パワーアシストを行う。
なお車いすの左右車輪の回転速度は、加速度センサから得られる信号を積分して得ている。加速度センサや積分計算上の誤差が含まれると、実際の回転速度と計算によって得られた回転速度が異なる。モータには、ロータ位置を検出するためのホールセンサが取付けられているが低分解能であるため短時間に高精度な速度を得ることができない。しかしホールセンサ信号のパルス間隔を計測することで、実モータの正確な左右車輪の回転速度ωr，ωlを検出できる。そこである時間毎に得られる実際の回転速度と計算による回転速度の比ｋcx，ｋcyを求め、それらを用いて計算速度を補正することにより、より正確な回転速度を得ることができる。またさらに、実際の回転速度を積分演算の初期値とすることによって、一層正確な回転速度を連続して得ることができる。ここで、ロータ位置とは、ブラシレスＤＣモータの回転子に取付けた磁石の位置（Ｓ極、Ｎ極）の正確な位置を知るための回転角である。
【００１５】
次に図２の各部の関係について式を用いて説明する。
図１において、中点Ｍの並進速度をｖ、回転角速度をωx、右車輪の回転角速度をωr、左車輪の回転角速度をωl、左右の車輪の間隔（距離）をＷ、右車輪の半径をＲr、左車輪の半径をＲl、とすると、
車いすの並進速度ｖ、回転角速度ωxは、次式となる
【数１】
【００１６】
車いすの全質量をｍ［ｋｇ］、車輪の直径をＤ［ｍ］、並進速度をｖ［ｍ／ｓ］、車輪と路面の転がり摩擦係数をμ、重力加速度ｇ＝９．８０７ｍ／ｓ2、路面の傾き（傾斜角）をθ［ｒａｄ］、車いすと空気の粘性制動係数をＤA、車輪の粘性制動係数をＤLとすると、車いすが直進走行するのに必要なトルクＴ［Ｎｍ］と左右の車輪の回転角速度をωl，ωr［ｒａｄ／ｓ］は、夫々次式で求めることができる。
【数２】
式（２）のＪLは、人が搭乗した車いすのモータ軸から見た等価慣性モーメント［ｋｇｍ2］を表しており、次式で求めることができる。
【数３】
式（２）のトルクＴは、第１項、第２項に示す加速トルク、第３項、第４項に示す粘性制動トルク、第５項に示す車輪と路面の転がり摩擦トルクと傾斜角θによる下りトルクの和となる。
【００１７】
車いすの車速は、通常最大６ｋｍ（ＪＩＳで規定されている）であるから、粘性制動トルクは、加速・減速トルク、転がり摩擦トルク及び下りトルクと比較して極めて小さいため無視できる。
推定人トルク（＾付ＴHr）は、加速度・傾斜角検出部５１が検出した加速度ＡＣＣxと加速度ＡＣＣyにより、次のように求めることができる。
車いすのＸ軸方向の推定並進速度（＾付ｖx）とＹ軸方向の推定並進速度（＾付ｖy）は、次の式により求める。
【数４】
これにより、車いすの推定並進速度（＾付ｖ）は、次式となる。
【数５】
これにより、推定計算部５２は、車いすの推定並進速度（＾付ｖ）を推定する。
【００１８】
一方車いすの推定回転角速度（＾付ωX）は、加速度センサの検出信号のサンプリング時間をΔｔとすると、次式により求めることができる。
【数６】
これにより、推定計算部５２は、車いすの推定回転角速度（＾付ωX）を推定する。
【００１９】
また左右の車輪の推定回転角速度（＾付ωl）,（＾付ωr）は、次式で求めることができる。
【数７】
これにより、推定計算部５３は、左右の車輪の推定回転角速度（＾付ωl），（＾付ωr）を推定する。
【００２０】
右車輪の駆動モータに印加される外乱トルクＴdisrは、人トルクＴHr、転がり摩擦トルク及び下りトルクとの和であり、また式（２）の車いすが直進走行するのに必要なトルクＴは、モータトルクＴMrと人トルクＴHrの和であるから、外乱トルクＴdisrは、式（２）により求めることができ、次式のようになる。なお式（２）の粘性制動トルクは、前記したように極めて小さく無視できる。
【数８】
これにより、外乱トルクオブザーバ部３１は、外乱トルクＴdisrを求めることができる。
【００２１】
外乱トルクＴdisrは、人トルクＴHr、転がり摩擦トルク及び下りトルクの３成分からなり、転がり摩擦トルク及び下りトルクの変動周波数は、人トルクＴHrの変動周波数よりも低い。そこで、推定人トルク（＾付ＴHr）は、ハイパスフィルタにより外乱トルクＴdisrから、次式により分離することができる。
【数９】
ここでτ2はハイパスフィルタの時定数である。
これにより、人トルク分離部３２は、推定人トルク（＾付ＴHr）を求めることができる。
左車輪の推定人トルク（＾付ＴHl）も同様に求めることができる。
【００２２】
次にトルク補償部４１，４２の補償電流について説明する。
右車輪と左車輪の人トルク補償電流ｉarcomp1，ｉalcomp1は、推定人トルク（＾付ＴHr）、（＾付ＴHl）に任意の倍率Ａ（Ａ＞１）で増力して次式で求めることができる。倍率Ａは、値が大きくなるほど、増力するトルクが大きくなる。Ａ＝１は、パワーアシストを行わない状態である。
【数１０】
ここでＢは、左右の車輪のトルクのバランスを取るためのバランス補償ゲインである。
これにより、トルク補償部４１は、人トルク補償電流ｉarcomp1、ｉalcomp1を発生する。
【００２３】
右車輪と左車輪の転がり摩擦トルクの補償電流ｉarcomp2，ｉalcomp2は、搭乗者を含む車いすの質量ｍ、車輪と路面の転がり摩擦係数μ、転がり摩擦トルクを補償する補償係数α（０≦α＜１）を用いて、次式で求めることができる。
【数１１】
これによりトルク補償部４２は、転がり摩擦トルクの補償電流ｉarcomp2，ｉalcomp2を発生する。
【００２４】
右車輪と左車輪の下りトルクの補償電流ｉarcomp3，ｉalcomp3は、搭乗者を含む車いすの質量ｍ、傾斜角θ、下りトルクを補償する補償係数β（０≦β＜１）を用いて、次式で求めることができる。
【数１２】
これにより、補償部４２は、下りトルクの補償電流ｉarcomp3，ｉalcomp3を発生する。
【００２５】
次に図３、図４のブロック図を用いて図２の制御システムを具体的に説明する。
図３は、右車輪の制御システムであり、図４は、左車輪の制御システムである。
図３、図４は、機械的パラメータと電気的パラメータを用いて記載した車いすのブロック図である。
ここでは右車輪の制御システムを例に説明する。
電流制御部１１のモータ電流ｉarは、ブロック１２１によりモータトルクＴMrに変換される。モータトルクＴMrは、ブロック２２１の人トルクＴHrとブロック２２２の転がり摩擦トルク、下りトルクとともにブロック２１３へ供給される。ブロック２１３には、ブロック２１１の車いすの空気による粘性制動トルクとブロック２１２の車軸のベアリング等の粘性制動トルクも供給される。なお車いすの走行速度は速くないから、空気による粘性制動トルクは無視できる。ブロック２１３は、供給されたトルクを回転角速度ωrに変換する。回転角速度ωrは、ブロック２１２とブロック１２２へ供給される。ブロック１２２は、回転角速度ωrを電圧に変換して電流制御部１１へ逆起電力をフィードバックして電流制御を忠実に行っている（原理的にはフィードバックはなくてもよい）。ここでブロック１２１のＫTは、モータのトルク定数（Ｎｍ／Ａ）、ブロック１２２のＫEは、モータの逆起電力定数（Ｖｓ／ｒａｄ）、ブロック２１３のｓは、ラプラス演算子、ブロック３１５，３１６のτ1は、ローパスフィルタの時定数、ブロック３２のτ2は、ハイパスフィルタの時定数である。
【００２６】
推定計算部５２の推定並進速度（＾付ｖ）は、ブロック５４を介してブロック２１１，３１４へ供給され、粘性制動トルクに変換される。推定計算部５３の推定回転角速度（＾付ωr）は、ブロック３１２へ供給され、モータトルクと外乱トルクに変換される。また推定計算部５３の推定回転角速度（＾付ωr）は、ブロック３１１へ供給され、粘性制動トルクに変換される。ブロック３１５は、ローパスフィルタで、高周波雑音を除去する。ブロック１２３は、モータ電流ｉarをモータトルクＴMrに変換し、ブロック３１６により位相補償を行う。ブロック３１６は、ブロック３１５によって位相が変化しているため、その変化分を補償してブロック３１５の出力とブロック３１６の出力の位相を一致させる。ブロック３２は、推定人トルク（＾付ＴHr）を分離するハイパスフィルタで、ブロック３１５とブロック３１６の差信号、即ち外乱トルクを受信し、その外乱トルクから推定人トルク（＾付ＴHr）を分離する。推定人トルク（＾付ＴHr）は、ブロック４１１により（Ａ−１）倍に増力され、ブロック４１２により人トルク補償ｉarcomp1に変換される。
【００２７】
トルク補償部４２は、加速度・傾斜角検出部５１が検出した傾斜角θと転がり摩擦トルク補償係数α、下りトルク補償係数βとにより、それらの補償トルクを求め、転がり摩擦トルクの補償電流ｉarcomp2、下りトルクの補償ｉarcomp3を発生する。
電流制御部１１は、ブロック４１２とトルク補償部４２の補償電流によりモータ電流ｉarを制御する。
【００２８】
次に図４により左車輪の制御システムを説明する。
図４の制御システムは、ブロック４１３を除き図３の制御システムと同じである。ブロック４１３は、左右の車輪のトルクのバランスを取るため、推定人トルク（＾付ＴHr）にバランス補償ゲインＢを乗じて左右の車輪の補償トルクを調整している。
【００２９】
図５は、図２、図３のトルク補償部４１、トルク補償部４２、電流制御部１１の具体例を示す。
図２のトルク補償部４１は、ブロック４１１，４１２からなり、図３で説明したように、ブロック４１１は、推定人トルク（＾付ＴHr）を（Ａ−１）倍し，ブロック４１２は、人トルク補償電流ｉarcomp1に変換する。図２のトルク補償部４２は、ブロック４２１１，４２１２、ブロック４２２１，４２２２からなる。ブロック４２２１は、傾斜角θにより転がり摩擦トルクを計算し、ブロック４２２２は、その転がり摩擦トルクを補償電流ｉarcomp2に変換する。ブロック４２１１は、傾斜角θにより下りトルクを計算し、ブロック４２１２は、その下りトルクを補償電流ｉarcomp3に変換する。
【００３０】
図２の電流制御部１１は、制御器１１１、電流検流器１１２からなり、電流検流器１１２は、モータ電流ｉarを検出して制御器１１１へフィードバックする。制御器１１１は、３相の電流アンプからなり、指令されたｑ軸電流をモータに供給する。モータの駆動回路は、ＰＷＭ（パルス幅変調）により制御する。なおｑ軸電流は、モータ発生トルクに有効な電流で、モータ解析の際ｄ軸とｑ軸（９０度直交する軸）に分けて検討する。モータトルクＴMrは、前記したようにモータ電流ｉarとモータのトルク定数ＫTによって表される。
【００３１】
図６は、図２の加速度・傾斜角検出部５１の具体的構成を示す。
車いすに設置した２軸加速度センサ５１０の検出信号から、ローパスフィルタ５１１とローパスフィルタ５１２によってＸ軸情報とＹ軸情報を取出す。そのＸ軸情報からローパスフィルタ５１５とハイパスフィルタ５１６によって、Ｘ軸傾斜角とＸ軸加速度を検出する。またＹ軸情報からローパスフィルタ５１７とハイパスフィルタ５１８によって、Ｙ軸傾斜角とＹ軸加速度を検出する。２軸加速度センサ５１０は、Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ社（米国）のＡＤＸＬ２０２を使用した。
なお図６は、加速度と傾斜角を１個の加速度センサによって抽出する例について説明したが、加速度センサと傾斜角センサを別々に設置してもよい。
【００３２】
図７は、実施例の制御システムにおける人トルク（人が入力したトルク）の推定のシミュレーション結果を示す。図７において、縦軸は人トルク［Ｎｍ］であり、横軸は時間［ｓｅｃ］である。
シミュレーションに用いたパラメータは、車いすの質量ｍは１００ｋｇ、車輪の直径は０．５５８ｍ、モータの逆起電力定数ＫEは３．０Ｖｓ／ｒａｄ、モータのトルク定数ＫTは３．０Ｎｍ／Ａ、モータの電機子抵抗は０．１３Ω、モータの電機子インダクタンスは０．００５Ｈ、ローパスフィルタのτ1は０．００１ｓ、ハイパスフィルタのτ2は１００ｓ、車軸の粘性制動係数ＤLは０．１Ｎｍｓ／ｒａｄ、空気の粘性制動係数ＤAは０．００１Ｎｓ／ｍ、転がり摩擦係数μは０．０３である。
【００３３】
シミュレーションは、車いすの車軸の中心に加速度センサを設置し、左右の車輪に異なるトルクを与え、パワーアシストを行わない条件（倍率Ａ＝１）で行った。また加速度センサが出力する加速度情報は、アナログ信号であるから１２ビットのＡＤコンバータを用いてデジタル信号に変換して推定計算を行った。人トルクは、右車輪に人トルクＴHr＝１０．０ｓｉｎ（ωｔ）、左車輪に人トルクＴHl＝７．０ｓｉｎ（ωｔ）の正弦波のプラス成分（半波整流成分）のトルクを与えた（マイナスのときは０とした）。
図７から、実施例の制御システムは、左右の車輪に印加した正弦波状のトルクが正しく推定できていることが分かる。
【００３４】
図８は、実施例の制御システムにおける並進速度ｖのシミュレーション結果を示す。図８において、縦軸は並進速度［ｍ／ｓｅｃ］であり、横軸は時間［ｓｅｃ］である。
図８（ａ）は、倍率Ａ＝１、右車輪に人トルクＴHr＝１０．０ｓｉｎ（ωｔ）、左車輪に人トルクＴHl＝７．０ｓｉｎ（ωｔ）の正弦波のプラス成分のトルクを与えた場合、図８（ｂ）は、倍率Ａ＝４、右車輪に人トルクＴHr＝２．５ｓｉｎ（ωｔ）、左車輪に人トルクＴHl＝１．７５ｓｉｎ（ωｔ）の正弦波のプラス成分のトルクを与えた場合である。
図８から、実施例の制御システムの推定値は、理論値に略一致しており、パワーアシストが正しく行われていることが分かる。なお前記したように（図２の説明において記載したように）モータの回転速度を用いて計算速度を補正することにより推定値は、理論値と一致する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本願発明の実施例を説明するための車いすの側面図と平面図である。
【図２】本願発明の実施例に係る車いすの制御システムの概要を示す図である。
【図３】本願発明の実施例に係る車いすの制御システム（右車輪）を機械的パラメータと電気的パラメータを用いて記載したブロック図である。
【図４】本願発明の実施例に係る車いすの制御システム（左車輪）を機械的パラメータと電気的パラメータを用いて記載したブロック図である。
【図５】図２の制御システムのトルク補償部と電流制御部の具体例を示す図である。
【図６】図２の制御システムの加速度・傾斜角検出部の具体例を示す図である。
【図７】本願発明の実施例の制御システムにおける人トルク（人が入力したトルク）の推定のシミュレーション結果を示す。
【図８】本願発明の実施例の制御システムにおける車いすの並進速度のシミュレーション結果を示す。
【符号の説明】
【００３６】
１１ 電流制御部
１２ モータ部
２１ 機構部
２２ 外乱トルク部
３１ 外乱トルクオブザーバ部
３２ 人トルク分離部
４１ 人トルク補償部
４２ 転がり摩擦トルク・下りトルク補償部
５１ 加速度・傾斜角検出部
５２ 並進速度・回転角速度の推定計算部
５３ 左右車輪の回転角速度の推定計算部
６１ モータ回転方向検出部
９ 車いす
９１ｌ，９１ｒ 左右の車輪
９２ｌ，９２ｒ 左右ハンドリム
９３ｌ，９３ｒ 左右の車輪の駆動モータ
９４ ハンドル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度・傾斜角検出部により車いすの加速度を検出し、その加速度により車いすの並進速度と車輪の回転角速度を推定し、その並進速度と回転角速度により外乱トルクを推定し、その外乱トルクから推定人トルクを分離し、その推定人トルクに倍率を乗じたトルクを人トルク補償電流に変換し、その人トルク補償電流により車輪の駆動モータの電流を制御する制御システムを備えていることを特徴とするパワーアシスト型の車いす。
【請求項２】
加速度・傾斜角検出部の車いすの加速度と路面の傾斜角を検出し、その加速度により車いすの並進速度と車輪の回転角速度を推定し、その並進速度と回転角速度により外乱トルクを推定し、その外乱トルクから推定人トルクを分離し、その推定人トルクに倍率を乗じたトルクを人トルク補償電流に変換し、その人トルク補償電流により車輪の駆動モータの電流を制御する、及び前記傾斜角により路面の転がり摩擦トルクと車いすの下りトルクを求め、その転がり摩擦トルクと下りトルクに夫々の補償係数を乗じたトルクを転がり摩擦トルク補償電流と下りトルク補償電流に変換し、その転がり摩擦トルク補償電流と下りトルク補償電流により車輪の駆動モータの電流を制御する制御システムを備えていることを特徴とするパワーアシスト型の車いす。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のパワーアシスト型の車いすにおいて、前記駆動モータは、２つの車輪の夫々に設けてあり、前記制御システムはモータ毎に設けてあることを特徴とするパワーアシスト型の車いす。
【請求項４】
請求項３に記載のパワーアシスト型の車いすにおいて、前記２つのモータのいずれか一方のモータの前記制御システムは、前記推定人トルクに２つの車輪の人トルクのバランスを取るバランス補償ゲインを乗じる手段を備えていることを特徴とするパワーアシスト型の車いす。
【請求項１】
加速度・傾斜角検出部により車いすの加速度を検出し、その加速度により車いすの並進速度と車輪の回転角速度を推定し、その並進速度と回転角速度により外乱トルクを推定し、その外乱トルクから推定人トルクを分離し、その推定人トルクに倍率を乗じたトルクを人トルク補償電流に変換し、その人トルク補償電流により車輪の駆動モータの電流を制御する制御システムを備えていることを特徴とするパワーアシスト型の車いす。
【請求項２】
加速度・傾斜角検出部の車いすの加速度と路面の傾斜角を検出し、その加速度により車いすの並進速度と車輪の回転角速度を推定し、その並進速度と回転角速度により外乱トルクを推定し、その外乱トルクから推定人トルクを分離し、その推定人トルクに倍率を乗じたトルクを人トルク補償電流に変換し、その人トルク補償電流により車輪の駆動モータの電流を制御する、及び前記傾斜角により路面の転がり摩擦トルクと車いすの下りトルクを求め、その転がり摩擦トルクと下りトルクに夫々の補償係数を乗じたトルクを転がり摩擦トルク補償電流と下りトルク補償電流に変換し、その転がり摩擦トルク補償電流と下りトルク補償電流により車輪の駆動モータの電流を制御する制御システムを備えていることを特徴とするパワーアシスト型の車いす。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のパワーアシスト型の車いすにおいて、前記駆動モータは、２つの車輪の夫々に設けてあり、前記制御システムはモータ毎に設けてあることを特徴とするパワーアシスト型の車いす。
【請求項４】
請求項３に記載のパワーアシスト型の車いすにおいて、前記２つのモータのいずれか一方のモータの前記制御システムは、前記推定人トルクに２つの車輪の人トルクのバランスを取るバランス補償ゲインを乗じる手段を備えていることを特徴とするパワーアシスト型の車いす。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−２３０４２１（Ｐ２００６−２３０４２１Ａ）
【公開日】平成１８年９月７日（２００６．９．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−４４８５７（Ｐ２００５−４４８５７）
【出願日】平成１７年２月２１日（２００５．２．２１）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００４年１２月３日 社団法人電気学会発行の「電気学会研究会資料（回転機研究会、ＲＭ−０４−１６１〜１７８）」に発表
【出願人】（５９５１０６９４７）
【出願人】（５９２０２６４７３）株式会社昭和電業社 (6)
【出願人】（３０３０５３８８４）株式会社 ミヨシ・ロジスティックス (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月７日（２００６．９．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月２１日（２００５．２．２１）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００４年１２月３日 社団法人電気学会発行の「電気学会研究会資料（回転機研究会、ＲＭ−０４−１６１〜１７８）」に発表
【出願人】（５９５１０６９４７）
【出願人】（５９２０２６４７３）株式会社昭和電業社 (6)
【出願人】（３０３０５３８８４）株式会社 ミヨシ・ロジスティックス (1)
【Ｆターム（参考）】
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