全方向移動型電動車両およびその制御方向
【課題】障害物回避動作を行う全方向移動型電動車両は、操作した方向と異なる方向に動作するため、操作者に対し強い違和感や不安感を抱かせるという問題がある。
【解決手段】車体部１４と、操作者が操作した操作方向および操作量を検出する車体部１４に設けた操作入力部１３と、障害物までの距離および方向を検出する障害物センサ１８と、操作入力部において検出される操作方向および操作量により操作力を算出する操作力推測部１７と、障害物センサ１８が検出した障害物までの距離に反比例し、かつ、障害物と反対方向に作用する仮想斥力を算出する仮想斥力算出部１９と、操作力および仮想斥力の和より合力を算出する合力算出部２０と、車体部１４を操作力の方向から合力の方向へ回転させながら、合力の方向へ移動するよう制御する制御部２１とを備えた構成である。
【解決手段】車体部１４と、操作者が操作した操作方向および操作量を検出する車体部１４に設けた操作入力部１３と、障害物までの距離および方向を検出する障害物センサ１８と、操作入力部において検出される操作方向および操作量により操作力を算出する操作力推測部１７と、障害物センサ１８が検出した障害物までの距離に反比例し、かつ、障害物と反対方向に作用する仮想斥力を算出する仮想斥力算出部１９と、操作力および仮想斥力の和より合力を算出する合力算出部２０と、車体部１４を操作力の方向から合力の方向へ回転させながら、合力の方向へ移動するよう制御する制御部２１とを備えた構成である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操作者の操作に基づいて、前後方向、左右方向、斜め方向など全方向へ自走する全方向移動型電動車両およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
病院、介護施設等で利用される車椅子として、オムニホイールを用いて全方向へ自走する電動車椅子が提案されている。このような電動車椅子は、車体部の向きを変えることなく全方向へ移動できるため、ベッドに横付けしたり、病室の狭いスペースを移動するのに有用である。
【０００３】
同様に、工場、商業施設等で利用される搬送台車においても、全方向へ自走するパワーアシストカートが提案されている。
【０００４】
上述した電動車椅子およびパワーアシストカートは、全方向移動型電動車両の一例である。全方向移動型電動車両は、乗車した操作者、または、全方向移動型電動車両を押しながら歩行する操作者により、操作者と一体となって移動する。
【０００５】
この時、操作に不慣れなユーザが操作した場合には、操作ミス等により、移動方向にある障害物に、全方向移動型電動車両が衝突することがある。
【０００６】
そこで、移動方向に障害物が存在すると、その障害物を自動で回避する全方向移動型電動車両が望まれている。
【０００７】
障害物を検出すると、その障害物を回避して走行する独立２輪駆動型パワーアシストカートが従来より提案されている。
【０００８】
図６は、従来の独立２輪駆動方式のパワーアシストカート１の上面図である。パワーアシストカート１は、障害物１０を回避して走行するために、制御部（図示せず）で、操舵ハンドル２に加わる力の大きさと方向である操作力Ｆｏｐｅを計測する。さらに、制御部で、障害物センサ５、６、７の検知出力に基づいて障害物１０までの距離と方向を検出し、障害物１０までの距離と方向よりパワーアシストカート１の車体部８を障害物１０より遠ざける仮想斥力Ｆｏｂｊを演算する。そして、制御部で、操作力Ｆｏｐｅと仮想斥力Ｆｏｂｊの合力Ｆｍｏｖｅ（＝Ｆｏｐｅ＋Ｆｏｂｊ）にアシスト率Ｋａを積算してアシスト力Ｆａ（＝Ｋａ・Ｆｍｏｖｅ）を算出し、アシスト力Ｆａに基づいて駆動操舵輪９を動かす駆動部（図示せず）を制御する。なお、自在輪４は、駆動操舵輪９と共に車体部８を支えるための車輪である。
【０００９】
アシスト力Ｆａに基づいて駆動操舵輪９を動かすことで、パワーアシストカート１は、操作者が旋回操作を行わなくとも自動的に障害物１０を回避して走行する（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
このように操作力Ｆｏｐｅと仮想斥力Ｆｏｂｊの合力Ｆｍｏｖｅに基づいて動作させることにより、障害物回避を行う制御方式を、全方向に移動可能な全方向移動型電動車両に適用することが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−５５４８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、合力Ｆｍｏｖｅに基づいて移動する全方向移動型電動車両（パワーアシストカート１）が障害物回避を行う場合、操作入力部（操舵ハンドル２）の操作方向と異なる方向へ全方向移動型電動車両が移動してしまう。例えば、全方向移動型電動車両の前方斜め左に障害物がある場合、操作入力部であるジョイスティックを全方向移動型電動車両の前方に倒していても、全方向移動型電動車両は車体部の姿勢を変えず右斜め前方へ移動する。その場合、ジョイスティックで指示した方向と異なる方向へ移動することになり、乗車者でもある操作者は全方向移動型電動車両の操作に強い違和感や不安感を抱いたり、場合によっては混乱したりしてしまう。
【００１３】
つまり、従来の全方向移動型電動車両は、仮想斥力によってジョイスティックの操作方向と異なる方向に移動するため、操作者に対し強い違和感や不安感を抱かせたり、場合によっては混乱させたりしてしまう場合がある。
【００１４】
そこで、本発明は、操作入力部の操作方向と車体部の移動方向の差異を小さくして、操作者の違和感や不安感を解消した全方向移動型車両およびその制御方法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】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の全方向移動型電動車両の制御方法は、操作入力部に入力された操作方向および操作量を検出する操作入力検出工程と、前記操作入力部で検出された操作方向および操作量に基づいて目標移動方向を設定する目標方向設定工程と、周囲の障害物までの距離および方向を検出する障害物検出工程と、前記障害物検出工程で検出された障害物までの距離および方向に基づき、前記目標移動方向を前記障害物を回避する方向へ修正し、前記操作方向から前記目標移動方向に回転させながら、前記目標移動方向に移動させることを特徴とする。
【００１６】
また、上記目的を達成するために、本発明の全方向移動型電動車両は、車体部と、入力された操作方向および操作量を検出する操作入力部と、周囲の障害物までの距離および方向を検出する障害物センサと、前記操作方向および前記操作量に基づいて前記車体部を移動させる目標移動方向を設定し、前記障害物センサで検出された障害物までの距離および方向に基づいて前記目標移動方向を前記障害物を回避する方向へ修正し、前記車体部を前記操作方向から前記目標移動方向に回転させながら前記目標移動方向へ移動させる制御部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、操作者は、全方向移動型電動車両を違和感や不安感なく利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１における電動車椅子を示す図であり、（ａ）上面図、（ｂ）要部ブロック図
【図２】本実施の形態１における電動車椅子の斜視図
【図３】本実施の形態１における制御回路部で行われる制御の第１のフローチャート
【図４】本実施の形態１における制御回路部で行われる制御の第２のフローチャート
【図５】本実施の形態１における障害物回避を行う電動車椅子を説明するための図
【図６】従来のパワーアシストカートの上面図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同じ構成要素には同じ符号を付しており、説明を省略する場合もある。また、図面は理解を容易にするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示している。
【００２０】
（実施の形態１）
図１（ａ）（ｂ）は、本発明の実施の形態１における電動車椅子１１を示す図であり、図１（ａ）は上面図であり、図１（ｂ）は要部ブロック図である。図２は、電動車椅子１１の斜視図である。なお、理解を容易にするために、電動車椅子１１と共に動く車両座標系Σｒ（互いに直交する三つのｘｒ軸、ｙｒ軸、ｚｒ軸を有する座標系）を、図１（ａ）、図２に設定している。ｘｒ軸とｙｒ軸から構成される平面は地面に対して平行な水平面とし、ｘｒ軸は電動車椅子１１の前方を向いているものとする。
【００２１】
また、図１（ａ）に示すように、地面に固定された基準座標系Σ０（互いに直交する三つのｘ０軸、ｙ０軸、ｚ０軸を有する座標系）を設定している。そして、ｘ０軸の方向に対するｘｒ軸の方向を電動車椅子１１の姿勢と定義する。電動車椅子１１を、ｚｒ軸まわりに回転させることにより、電動車椅子１１の姿勢を変えることができる。
【００２２】
図１（ａ）、図２に示す電動車椅子１１は、自身の姿勢を変えずに全方向へ移動することができる全方向移動型電動車両であり、乗車者でもある操作者が操作する操作入力部１３の操作方向および操作量に従って移動する。また、理解しやすくするために、操作力，仮想斥力および合力は、車両座標系Σｒの原点を基準に生成されるものとする。
【００２３】
電動車椅子１１は、近くに障害物があると、障害物を回避するようにその移動方向を自動修正する。この時、電動車椅子１１を、操作入力部１３の操作方向と電動車椅子１１の移動方向とが近づくようにｚｒ軸を中心に回転させることで、障害物を自動回避する場合でも操作入力部１３の操作方向と電動車椅子１１の移動方向とを近づけて不安感のない操作を実現する。
【００２４】
次に、電動車椅子１１の構成を説明する。
【００２５】
電動車椅子１１は、自身の姿勢を変えることなく全方向へ移動することができる車体部１４と、操作者が操作する操作入力部１３と、障害物までの距離および方向を検出する障害物センサ１８と、を有する。
【００２６】
車体部１４は、底面に十字状に設置された４つのモータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄを有する。４つのモータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄのそれぞれの駆動軸には、オムニホイールである車輪２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄが取り付けられている。４つの車輪２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄの中心は、車両座標系Σｒの原点と一致するものとする。そして、モータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄをそれぞれ独立に制御し、車輪２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄをそれぞれの回転方向および回転速度で個別に動作させることにより、車体部１４を前後方向、左右方向、斜め方向など全方向へ移動させることができる。また、車両座標系Σｒのｚｒ軸を中心に回転して姿勢を修正することもできる。さらに、車体部１４は、操作者が座る座面部１５と、アームレスト１６とを有する。
【００２７】
また、操作入力部１３は、ジョイスティックを用いており、操作者が操作した操作方向と操作量を検出する。
【００２８】
また、障害物センサ１８には、レーザレンジファインダを用いており、障害物までの距離および方向を検出する。また、障害物センサ１８は、本実施の形態１では、例えば障害物を検出できる検出範囲が３ｍ以内のものを利用している。
【００２９】
さらに、図１（ｂ）に示すように、電動車椅子１１は、車体部１４に取り付けられた制御回路部２２に、操作力推測部１７と、仮想斥力算出部１９と、合力算出部２０と、車体部１４の回転および移動を制御する制御部２１とを有する。
【００３０】
操作力推測部１７は、操作入力部１３において検出される操作方向および操作量から操作力Ｆｏｐｅを算出する。そして、操作入力部１３に入力される操作方向が矢印Ｃの方向であると、矢印Ｃと同じ方向に操作力Ｆｏｐｅが発生する。なお、操作入力部１３に力を直接検出する力センサを用いた場合、操作力推測部１７は、検出した力から操作力Ｆｏｐｅを算出する。
【００３１】
仮想斥力算出部１９は、障害物センサ１８で検出された障害物までの距離に反比例し、かつ、障害物と反対方向に作用する仮想斥力Ｆｏｂｊを算出する。合力算出部２０は、操作力Ｆｏｐｅおよび仮想斥力Ｆｏｂｊの合力Ｆｍｏｖｅを算出する。なお、合力Ｆｍｏｖｅの算出の際、仮想斥力Ｆｏｂｊに対し、大きさが０〜１のゲインを乗じてもよい。このゲインは、操作者が操作入力部１３を動かしておらず、操作力Ｆｏｐｅの大きさがゼロの場合、大きさが０であり、操作者が操作入力部１３を動かし、操作力Ｆｏｐｅの大きさが大きくなるに従い、０から徐々に大きくなり、操作力Ｆｏｐｅの大きさが最大になった場合、大きさが１となる。
【００３２】
このようにすることにより、操作者が操作入力部１３を動かしていない場合には、たとえ近くに障害物があったとしても、合力Ｆｍｏｖｅがゼロと算出されるため、操作者が意図していない場合に勝手に電動車椅子１１が移動することがない。そして、操作者が操作入力部１３を動かした場合、その大きさに基づいて障害物回避動作が行われる。すなわち、操作者が意図したときに意図した大きさの動作が行われるため、安全性の高い操作が可能となる。
【００３３】
また、制御部２１は、操作力Ｆｏｐｅの方向と合力Ｆｍｏｖｅの方向とのなす角が小さくなるように、矢印Ｂの方向へ車体部１４を回転させながら、合力Ｆｍｏｖｅの方向（矢印Ａの方向）へ車体部１４が移動するように制御する。
【００３４】
このように、車体部１４を回転させて、矢印Ｃで示す操作入力部１３の操作方向と電動車椅子１１の移動方向とを近づけることで、障害物回避のために仮想斥力Ｆｏｂｊが働いても操作方向と移動方向とのなす角が小さくなるため、操作者は違和感や不安感なく電動車椅子１１を利用することができる。
【００３５】
図３は、制御回路部２２で行われる電動車椅子１１の制御の第１のフローチャートであり、図４は、制御回路部２２で行われる殿堂車椅子１１の制御の第２のフローチャートである。
【００３６】
電動車椅子１１が作動している状態で、操作者が操作入力部１３を動かすと、操作入力部１３で、その動きの操作方向と操作量が検出される（ステップＳ０１）。すると、操作入力部１３で検出された操作方向および操作量から操作力推測部１７で操作力Ｆｏｐｅが算出される（ステップＳ０２）。算出された操作力Ｆｏｐｅは、操作者が電動車椅子１１を移動させたい移動方向および移動推進力を意味する。なお、この時、操作入力部１３の操作方向と操作力Ｆｏｐｅの方向は同じである。
【００３７】
次に、障害物センサ１８で電動車椅子１１周辺の障害物が検出される（ステップＳ０３）。そして、障害物センサ１８で障害物が検出されたか否かが判定される（ステップＳ０４）。
【００３８】
ステップＳ０４で障害物が検出されると、障害物センサ１８で検出された障害物までの距離および方向から仮想斥力算出部１９で仮想斥力Ｆｏｂｊが算出される（ステップＳ０５）。仮想斥力算出部１９は、障害物までの距離に反比例し、かつ、障害物と反対方向に作用する仮想斥力Ｆｏｂｊを算出する。
【００３９】
次に、合力算出部２０で、操作力Ｆｏｐｅと仮想斥力Ｆｏｂｊの合力Ｆｍｏｖｅが算出される（ステップＳ０６）。この時の合力Ｆｍｏｖｅの方向が電動車椅子１１の移動方向となり、合力Ｆｍｏｖｅの大きさに変換係数を乗じた値が電動車椅子１１の目標移動速度となる。なお、本実施の形態１では、電動車椅子１１の移動動作に関する見かけの粘性係数Ｄを設定し、変換係数として１／Ｄ（粘性係数）を用いる。すなわち、目標移動速度は、合力Ｆｍｏｖｅに１／Ｄ（粘性係数）を乗じて算出され、その大きさは合力Ｆｍｏｖｅの大きさに比例し、その方向は合力Ｆｍｏｖｅの方向と一致する。
【００４０】
また、合力Ｆｍｏｖｅの大きさを電動車椅子１１に作用させる移動推進力とし、その移動推進力に基づいて電動車椅子１１を動作させてもよい。
【００４１】
次に、制御部２１で、操作力Ｆｏｐｅと合力Ｆｍｏｖｅのなす角である補正角θａが算出される（ステップＳ０７）。なお、電動車椅子１１は合力Ｆｍｏｖｅの方向へ移動するため、合力Ｆｍｏｖｅの方向が電動車椅子１１の移動方向である。また、操作力Ｆｏｐｅの方向が、操作者が操作した方向である。もし、電動車椅子１１が操作方向と補正角θａずれた方向である合力Ｆｍｏｖｅの方向に移動すると、操作した方向とは異なるため、操作者は違和感や不安感を感じてしまうことになる。
【００４２】
次に、制御部２１で、補正角θａが姿勢変更角以上であるか否かを判定される（ステップＳ０８）。なお、本実施の形態１における電動車椅子１１は、姿勢変更角を６０°としている。人間の視野角は、水平約２００°であるが、視細胞の分布や眼球の構造上、中心ほど分解能が高く注意も向けやすいという性質がある。情報受容能力に優れる有効視野は水平３０°であり、頭部の運動を伴うことで無理なく対象を注視できる安定注視野は水平に６０〜９０°である。本実施の形態１では、安定注視野である６０°を姿勢変更角と設定した。なお、加齢や障害等により、視野角は変化するため、６０°に限定されるものではない。有効視野である３０°から人間の視野角である２００°の範囲内で、操作者の状態に応じて設定すればよい。
【００４３】
そして、補正角θａが姿勢変更角以上であれば、制御部２１は、車体部１４の移動を止めて、操作力Ｆｏｐｅの方向と合力Ｆｍｏｖｅの方向とのなす角が小さくなるように、モータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄを制御して、車体部１４をｚｒ軸まわりに回転させる（ステップＳ０９）。
【００４４】
また、補正角θａが姿勢変更角未満であれば、制御部２１は、操作力Ｆｏｐｅの方向と合力Ｆｍｏｖｅの方向とのなす角が小さくなるように車体部１４をｚｒ軸まわりに徐々に回転させながら、合力Ｆｍｏｖｅに基づいて車体部１４を移動させる（ステップＳ１０）。つまり、補正角θａが姿勢変更角未満であれば、制御回路部２２は、ステップＳ０１〜ステップＳ０８、ステップＳ１０を繰り返す。そして、補正角θａが姿勢変更角以上であれば、制御回路部２２は、ステップＳ１０を実行する。これにより、操作者が違和感や不安感を強く感じるくらい補正角θａが大きい場合には、まず補正角θａが小さくなるまで電動車椅子１１の操作方向と移動方向とを近づけることで、操作者の違和感や不安感を抑制する。
【００４５】
なお、このように車体部１４の姿勢をｚｒ軸まわりに回転させている回転動作について、音を発生させたり、ＬＥＤ等で発光させて、姿勢修正中（回転中）である旨を操作者へ伝える手段（図示せず）を更に備えるのが好ましい。このような手段を備えることで、操作者は、移動方向が変わっているのではなく、車体部１４がｚｒ軸まわりに回転していることを認識することができる。
【００４６】
また、ステップＳ０３において障害物センサ１８で障害物を検出し、ステップＳ０４で障害物がないと判断されると、図４に示すように、制御部２１は、車体部１４を操作力Ｆｏｐｅに基づいて車体部１４を移動させる（ステップＳ１１）。障害物を検出しないので仮想斥力Ｆｏｂｊが発生せず、操作方向と移動方向は一致しているので、障害物が検出されない場合、操作者の違和感や不安感が発生することはない。
【００４７】
なお、補正角θａが姿勢変更角以上の場合、車体部１４の移動を止めて姿勢を修正するのではなく、操作者が不安感を抱かないように、合力Ｆｍｏｖｅの大きさを半分以下に制限して、操作力Ｆｏｐｅの方向と合力Ｆｍｏｖｅの方向とのなす角が小さくなるように車体部１４の姿勢をｚｒ軸まわりに徐々に回転させながら移動させてもよい。このように合力Ｆｍｏｖｅを制御することで、操作方向と移動方向とが大きくずれたまま車体部１４が並進移動を行なっても、操作者に対する違和感や不安感を抑えることができる。
【００４８】
図５は、本実施の形態１における障害物回避を行う電動車椅子１１を説明するための図である。
【００４９】
領域Ｍにある電動車椅子１１は、操作力Ｆｏｐｅの方向に移動し続けると障害物３１に衝突してしまう。この時、障害物センサ１８が障害物３１を検出していると、障害物３１までの距離と方向に応じて仮想斥力Ｆｏｂｊが算出される。
【００５０】
そして、操作力Ｆｏｐｅと仮想斥力Ｆｏｂｊより合力Ｆｍｏｖｅを算出して、合力Ｆｍｏｖｅの方向へ電動車椅子１１が移動する。この時、操作力Ｆｏｐｅの方向と合力Ｆｍｏｖｅの方向とのなす角が小さくなるように矢印Ｑ１の方向に電動車椅子１１を回転させながら移動する。すると、操作入力部１３の操作方向（操作力Ｆｏｐｅの方向）が電動車椅子１１の移動方向（合力Ｆｍｏｖｅの方向）に近づいていくため、操作者は、電動車椅子１１の操作性に違和感や不安感なく操作することができる。また、操作者は、電動車椅子１１が回転することで、障害物３１が存在していることに気づくことができる。
【００５１】
その後、領域Ｎの位置に移動する。電動車椅子１１の移動に伴い、仮想斥力Ｆｏｂｊの大きさ及び方向は変わっていく。
【００５２】
そして、領域Ｎの位置にある電動車椅子１１は、Ｆｍｏｖｅの方向へ移動しながら、矢印Ｑ２の方向へ回転し、領域Ｌに移動する。
【００５３】
ただし、補正角θａが姿勢変更角以上である場合は、電動車椅子１１を動かすための制御が異なる。
【００５４】
補正角θａが姿勢変更角以上の角度である場合、そのまま移動すると操作した方向と移動する方向の差が大きいため、操作者は違和感や不安感を強く感じてしまう。そこで、合力Ｆｍｏｖｅの方向へ車体部１４を移動させながら車体部１４を回転させて姿勢を修正するのではなく、まず、車体部１４を回転させて補正角θａが姿勢変更角未満になった後、合力Ｆｍｏｖｅの方向への車体部１４の移動を行う。このような順序で車体部１４を制御することで、操作方向と移動方向とが大きくずれた状態で電動車椅子１１が移動することがなく、操作者に対する違和感や不安感を抑えるようにしている。なお、本実施の形態１で、姿勢変更角を６０°とするが、不安感は操作者それぞれによって異なるために、６０°に限定されるものではない。また、補正角θａが姿勢変更角以上の角度である場合、上記の方法では、補正角θａが姿勢変更角未満になるまで合力Ｆｍｏｖｅの方向への移動が無効になるように制御したが、移動を無効にせず移動速度を制限する制御を行ってもよい。
【００５５】
なお、操作力Ｆｏｐｅは、操作入力部１３において検出される操作方向および操作量により操作力推測部１７で算出されているが、操作者が電動車椅子１１に加えた操作力Ｆｏｐｅを直接検出する操作力入力機構を用いてもよい。つまり、操作入力部１３と操作力推測部１７との代わりに、操作力入力機構を車体部１４に設けてもよい。
【００５６】
また、上述した内容は、操作力および仮想斥力に基づいて移動する全方向移動型電動車両に関して説明したが、上述のように力ベースの制御系に適用するのではなく、速度ベースの制御系に適用してもよい。すなわち、操作力および仮想斥力の代わりに操作速度および回避速度に基づいて移動する全方向移動型電動車両に対して、上述した内容を適用してもよい。
【００５７】
この場合には、操作力推測部１７の代わりに、操作速度算出部を設け、操作速度算出部にて、操作入力部１３において検出される操作方向および操作量に基づき、操作速度を算出する。そして、仮想斥力算出部１９の代わりに、回避速度算出部を設け、回避速度算出部にて、障害物センサが検出した障害物までの距離に反比例し、かつ、障害物と反対方向に作用する回避速度を算出する。そして、合力算出部２０の代わりに、合成速度算出部を設け、合成速度算出部にて、操作速度および回避速度の合成速度を算出し、車体部を操作速度の方向から合成速度の方向へ回転させながら、合成速度の方向へ移動するように車体部１４を制御してもよい。
【００５８】
つまり、全方向移動型電動車両は、車体部と、操作者が操作した操作方向および操作量を検出する車体部に設けた操作入力部と、操作入力部において検出される操作方向および操作量により操作速度を算出する操作速度算出部と、障害物までの距離および方向を検出する障害物センサと、障害物センサが検出した障害物までの距離に反比例し、かつ、障害物と反対方向に作用する回避速度を算出する回避速度算出部と、操作速度および回避速度の合成速度を算出する合成速度算出部と、車体部を操作速度の方向から合成速度の方向へ回転させながら、合成速度の方向へ移動するように制御する制御部とを備えた構成であってもよい。
【００５９】
また、操作速度と合成速度とのなす角が、姿勢変更角以上である場合、制御部は、車体部を操作速度の方向から合成速度の方向へ回転させ、操作速度と合成速度とのなす角が、姿勢変更角未満になったら、車体部を操作速度の方向から合成速度の方向へ回転させながら、合成速度の方向へ移動するように制御してもよい。
【００６０】
また、操作速度と合成速度とのなす角が、姿勢変更角以上である場合、合成速度の方向へ移動する移動速度の大きさを制限してもよい。具体的には、合成速度の半分以下の速度に制限する。このように合成速度を制限することで、操作方向と移動方向とが大きくずれたまま並進移動を行なっても、操作者に対する違和感や不安感を抑えることができる。
【００６１】
また、上述した内容は、操作力および仮想斥力、あるいは、操作速度および回避速度に基づいて移動する全方向移動型電動車両に関するが、これに限定されるものではない。操作者が操作した操作方向および操作量に基づき、車体部が移動し、障害物センサで検出される障害物情報に基づき、車体部の移動方向を修正する全方向移動型電動車両であれば、上述した内容を適用できる。
【００６２】
すなわち、車体部と、操作者が操作した操作方向および操作量を検出する前記車体部に設けた操作入力部と、前記操作入力部で検出される操作方向及び操作量に基づき、前記車体部を移動させる目標移動方向を設定し、前記車体部を前記目標移動方向へ移動させる制御部と、を備えた全方向移動型電動車両において、さらに、障害物までの距離および方向を検出する障害物センサを備えてもよい。この場合、制御部は、障害物センサで検出される障害物までの距離および方向に基づき、目標移動方向を障害物を回避する方向へ修正し、車体部を操作方向から目標移動方向に回転させながら、目標移動方向に移動させる構成であってもよい。
【００６３】
また、操作速度と合成速度とのなす角が姿勢変更角以上である場合、制御部は、車体部を操作速度の方向から合成速度の方向へ回転させ、操作速度と合成速度とのなす角が姿勢変更角未満になったら、車体部を操作速度の方向から合成速度の方向へ回転させながら、合成速度の方向へ移動するように制御してもよい。
【００６４】
また、操作方向と目標移動方向とのなす角が姿勢変更角以上である場合、制御部は、車体部を目標移動方向へ移動させずに操作方向から目標移動方向へ回転させ、操作方向と目標移動方向とのなす角が姿勢変更角未満になったら、車体部を操作方向から目標移動方向へ回転させながら、目標移動方向へ移動させるように制御してもよい。また、操作方向と目標移動方向とのなす角が、姿勢変更角以上である場合、目標移動方向への移動速度を制限して移動させるように制御してもよい。具体的には、合成速度の半分以下の速度に制限する。
【００６５】
なお、全方向移動型電動車両として全方向移動型の電動車椅子１１を用いて説明しているが、全方向移動型のパワーアシストカートに、上述した内容を適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明の全方向移動型電動車両は、操作者の違和感や不安感が少ない全方向型電動車両を利用することができる。そのため、全方向移動型の電動椅子車椅子、パワーアシストカート等に有用である。
【符号の説明】
【００６７】
１１ 電動車椅子
１３ 操作入力部
１４ 車体部
１５ 座面部
１６ アームレスト
１７ 操作力推測部
１８ 障害物センサ
１９ 仮想斥力算出部
２０ 合力算出部
２１ 制御部
２２ 制御回路部
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ モータ
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ 車輪
３１ 障害物
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操作者の操作に基づいて、前後方向、左右方向、斜め方向など全方向へ自走する全方向移動型電動車両およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
病院、介護施設等で利用される車椅子として、オムニホイールを用いて全方向へ自走する電動車椅子が提案されている。このような電動車椅子は、車体部の向きを変えることなく全方向へ移動できるため、ベッドに横付けしたり、病室の狭いスペースを移動するのに有用である。
【０００３】
同様に、工場、商業施設等で利用される搬送台車においても、全方向へ自走するパワーアシストカートが提案されている。
【０００４】
上述した電動車椅子およびパワーアシストカートは、全方向移動型電動車両の一例である。全方向移動型電動車両は、乗車した操作者、または、全方向移動型電動車両を押しながら歩行する操作者により、操作者と一体となって移動する。
【０００５】
この時、操作に不慣れなユーザが操作した場合には、操作ミス等により、移動方向にある障害物に、全方向移動型電動車両が衝突することがある。
【０００６】
そこで、移動方向に障害物が存在すると、その障害物を自動で回避する全方向移動型電動車両が望まれている。
【０００７】
障害物を検出すると、その障害物を回避して走行する独立２輪駆動型パワーアシストカートが従来より提案されている。
【０００８】
図６は、従来の独立２輪駆動方式のパワーアシストカート１の上面図である。パワーアシストカート１は、障害物１０を回避して走行するために、制御部（図示せず）で、操舵ハンドル２に加わる力の大きさと方向である操作力Ｆｏｐｅを計測する。さらに、制御部で、障害物センサ５、６、７の検知出力に基づいて障害物１０までの距離と方向を検出し、障害物１０までの距離と方向よりパワーアシストカート１の車体部８を障害物１０より遠ざける仮想斥力Ｆｏｂｊを演算する。そして、制御部で、操作力Ｆｏｐｅと仮想斥力Ｆｏｂｊの合力Ｆｍｏｖｅ（＝Ｆｏｐｅ＋Ｆｏｂｊ）にアシスト率Ｋａを積算してアシスト力Ｆａ（＝Ｋａ・Ｆｍｏｖｅ）を算出し、アシスト力Ｆａに基づいて駆動操舵輪９を動かす駆動部（図示せず）を制御する。なお、自在輪４は、駆動操舵輪９と共に車体部８を支えるための車輪である。
【０００９】
アシスト力Ｆａに基づいて駆動操舵輪９を動かすことで、パワーアシストカート１は、操作者が旋回操作を行わなくとも自動的に障害物１０を回避して走行する（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
このように操作力Ｆｏｐｅと仮想斥力Ｆｏｂｊの合力Ｆｍｏｖｅに基づいて動作させることにより、障害物回避を行う制御方式を、全方向に移動可能な全方向移動型電動車両に適用することが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−５５４８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、合力Ｆｍｏｖｅに基づいて移動する全方向移動型電動車両（パワーアシストカート１）が障害物回避を行う場合、操作入力部（操舵ハンドル２）の操作方向と異なる方向へ全方向移動型電動車両が移動してしまう。例えば、全方向移動型電動車両の前方斜め左に障害物がある場合、操作入力部であるジョイスティックを全方向移動型電動車両の前方に倒していても、全方向移動型電動車両は車体部の姿勢を変えず右斜め前方へ移動する。その場合、ジョイスティックで指示した方向と異なる方向へ移動することになり、乗車者でもある操作者は全方向移動型電動車両の操作に強い違和感や不安感を抱いたり、場合によっては混乱したりしてしまう。
【００１３】
つまり、従来の全方向移動型電動車両は、仮想斥力によってジョイスティックの操作方向と異なる方向に移動するため、操作者に対し強い違和感や不安感を抱かせたり、場合によっては混乱させたりしてしまう場合がある。
【００１４】
そこで、本発明は、操作入力部の操作方向と車体部の移動方向の差異を小さくして、操作者の違和感や不安感を解消した全方向移動型車両およびその制御方法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】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の全方向移動型電動車両の制御方法は、操作入力部に入力された操作方向および操作量を検出する操作入力検出工程と、前記操作入力部で検出された操作方向および操作量に基づいて目標移動方向を設定する目標方向設定工程と、周囲の障害物までの距離および方向を検出する障害物検出工程と、前記障害物検出工程で検出された障害物までの距離および方向に基づき、前記目標移動方向を前記障害物を回避する方向へ修正し、前記操作方向から前記目標移動方向に回転させながら、前記目標移動方向に移動させることを特徴とする。
【００１６】
また、上記目的を達成するために、本発明の全方向移動型電動車両は、車体部と、入力された操作方向および操作量を検出する操作入力部と、周囲の障害物までの距離および方向を検出する障害物センサと、前記操作方向および前記操作量に基づいて前記車体部を移動させる目標移動方向を設定し、前記障害物センサで検出された障害物までの距離および方向に基づいて前記目標移動方向を前記障害物を回避する方向へ修正し、前記車体部を前記操作方向から前記目標移動方向に回転させながら前記目標移動方向へ移動させる制御部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、操作者は、全方向移動型電動車両を違和感や不安感なく利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１における電動車椅子を示す図であり、（ａ）上面図、（ｂ）要部ブロック図
【図２】本実施の形態１における電動車椅子の斜視図
【図３】本実施の形態１における制御回路部で行われる制御の第１のフローチャート
【図４】本実施の形態１における制御回路部で行われる制御の第２のフローチャート
【図５】本実施の形態１における障害物回避を行う電動車椅子を説明するための図
【図６】従来のパワーアシストカートの上面図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同じ構成要素には同じ符号を付しており、説明を省略する場合もある。また、図面は理解を容易にするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示している。
【００２０】
（実施の形態１）
図１（ａ）（ｂ）は、本発明の実施の形態１における電動車椅子１１を示す図であり、図１（ａ）は上面図であり、図１（ｂ）は要部ブロック図である。図２は、電動車椅子１１の斜視図である。なお、理解を容易にするために、電動車椅子１１と共に動く車両座標系Σｒ（互いに直交する三つのｘｒ軸、ｙｒ軸、ｚｒ軸を有する座標系）を、図１（ａ）、図２に設定している。ｘｒ軸とｙｒ軸から構成される平面は地面に対して平行な水平面とし、ｘｒ軸は電動車椅子１１の前方を向いているものとする。
【００２１】
また、図１（ａ）に示すように、地面に固定された基準座標系Σ０（互いに直交する三つのｘ０軸、ｙ０軸、ｚ０軸を有する座標系）を設定している。そして、ｘ０軸の方向に対するｘｒ軸の方向を電動車椅子１１の姿勢と定義する。電動車椅子１１を、ｚｒ軸まわりに回転させることにより、電動車椅子１１の姿勢を変えることができる。
【００２２】
図１（ａ）、図２に示す電動車椅子１１は、自身の姿勢を変えずに全方向へ移動することができる全方向移動型電動車両であり、乗車者でもある操作者が操作する操作入力部１３の操作方向および操作量に従って移動する。また、理解しやすくするために、操作力，仮想斥力および合力は、車両座標系Σｒの原点を基準に生成されるものとする。
【００２３】
電動車椅子１１は、近くに障害物があると、障害物を回避するようにその移動方向を自動修正する。この時、電動車椅子１１を、操作入力部１３の操作方向と電動車椅子１１の移動方向とが近づくようにｚｒ軸を中心に回転させることで、障害物を自動回避する場合でも操作入力部１３の操作方向と電動車椅子１１の移動方向とを近づけて不安感のない操作を実現する。
【００２４】
次に、電動車椅子１１の構成を説明する。
【００２５】
電動車椅子１１は、自身の姿勢を変えることなく全方向へ移動することができる車体部１４と、操作者が操作する操作入力部１３と、障害物までの距離および方向を検出する障害物センサ１８と、を有する。
【００２６】
車体部１４は、底面に十字状に設置された４つのモータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄを有する。４つのモータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄのそれぞれの駆動軸には、オムニホイールである車輪２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄが取り付けられている。４つの車輪２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄの中心は、車両座標系Σｒの原点と一致するものとする。そして、モータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄをそれぞれ独立に制御し、車輪２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄをそれぞれの回転方向および回転速度で個別に動作させることにより、車体部１４を前後方向、左右方向、斜め方向など全方向へ移動させることができる。また、車両座標系Σｒのｚｒ軸を中心に回転して姿勢を修正することもできる。さらに、車体部１４は、操作者が座る座面部１５と、アームレスト１６とを有する。
【００２７】
また、操作入力部１３は、ジョイスティックを用いており、操作者が操作した操作方向と操作量を検出する。
【００２８】
また、障害物センサ１８には、レーザレンジファインダを用いており、障害物までの距離および方向を検出する。また、障害物センサ１８は、本実施の形態１では、例えば障害物を検出できる検出範囲が３ｍ以内のものを利用している。
【００２９】
さらに、図１（ｂ）に示すように、電動車椅子１１は、車体部１４に取り付けられた制御回路部２２に、操作力推測部１７と、仮想斥力算出部１９と、合力算出部２０と、車体部１４の回転および移動を制御する制御部２１とを有する。
【００３０】
操作力推測部１７は、操作入力部１３において検出される操作方向および操作量から操作力Ｆｏｐｅを算出する。そして、操作入力部１３に入力される操作方向が矢印Ｃの方向であると、矢印Ｃと同じ方向に操作力Ｆｏｐｅが発生する。なお、操作入力部１３に力を直接検出する力センサを用いた場合、操作力推測部１７は、検出した力から操作力Ｆｏｐｅを算出する。
【００３１】
仮想斥力算出部１９は、障害物センサ１８で検出された障害物までの距離に反比例し、かつ、障害物と反対方向に作用する仮想斥力Ｆｏｂｊを算出する。合力算出部２０は、操作力Ｆｏｐｅおよび仮想斥力Ｆｏｂｊの合力Ｆｍｏｖｅを算出する。なお、合力Ｆｍｏｖｅの算出の際、仮想斥力Ｆｏｂｊに対し、大きさが０〜１のゲインを乗じてもよい。このゲインは、操作者が操作入力部１３を動かしておらず、操作力Ｆｏｐｅの大きさがゼロの場合、大きさが０であり、操作者が操作入力部１３を動かし、操作力Ｆｏｐｅの大きさが大きくなるに従い、０から徐々に大きくなり、操作力Ｆｏｐｅの大きさが最大になった場合、大きさが１となる。
【００３２】
このようにすることにより、操作者が操作入力部１３を動かしていない場合には、たとえ近くに障害物があったとしても、合力Ｆｍｏｖｅがゼロと算出されるため、操作者が意図していない場合に勝手に電動車椅子１１が移動することがない。そして、操作者が操作入力部１３を動かした場合、その大きさに基づいて障害物回避動作が行われる。すなわち、操作者が意図したときに意図した大きさの動作が行われるため、安全性の高い操作が可能となる。
【００３３】
また、制御部２１は、操作力Ｆｏｐｅの方向と合力Ｆｍｏｖｅの方向とのなす角が小さくなるように、矢印Ｂの方向へ車体部１４を回転させながら、合力Ｆｍｏｖｅの方向（矢印Ａの方向）へ車体部１４が移動するように制御する。
【００３４】
このように、車体部１４を回転させて、矢印Ｃで示す操作入力部１３の操作方向と電動車椅子１１の移動方向とを近づけることで、障害物回避のために仮想斥力Ｆｏｂｊが働いても操作方向と移動方向とのなす角が小さくなるため、操作者は違和感や不安感なく電動車椅子１１を利用することができる。
【００３５】
図３は、制御回路部２２で行われる電動車椅子１１の制御の第１のフローチャートであり、図４は、制御回路部２２で行われる殿堂車椅子１１の制御の第２のフローチャートである。
【００３６】
電動車椅子１１が作動している状態で、操作者が操作入力部１３を動かすと、操作入力部１３で、その動きの操作方向と操作量が検出される（ステップＳ０１）。すると、操作入力部１３で検出された操作方向および操作量から操作力推測部１７で操作力Ｆｏｐｅが算出される（ステップＳ０２）。算出された操作力Ｆｏｐｅは、操作者が電動車椅子１１を移動させたい移動方向および移動推進力を意味する。なお、この時、操作入力部１３の操作方向と操作力Ｆｏｐｅの方向は同じである。
【００３７】
次に、障害物センサ１８で電動車椅子１１周辺の障害物が検出される（ステップＳ０３）。そして、障害物センサ１８で障害物が検出されたか否かが判定される（ステップＳ０４）。
【００３８】
ステップＳ０４で障害物が検出されると、障害物センサ１８で検出された障害物までの距離および方向から仮想斥力算出部１９で仮想斥力Ｆｏｂｊが算出される（ステップＳ０５）。仮想斥力算出部１９は、障害物までの距離に反比例し、かつ、障害物と反対方向に作用する仮想斥力Ｆｏｂｊを算出する。
【００３９】
次に、合力算出部２０で、操作力Ｆｏｐｅと仮想斥力Ｆｏｂｊの合力Ｆｍｏｖｅが算出される（ステップＳ０６）。この時の合力Ｆｍｏｖｅの方向が電動車椅子１１の移動方向となり、合力Ｆｍｏｖｅの大きさに変換係数を乗じた値が電動車椅子１１の目標移動速度となる。なお、本実施の形態１では、電動車椅子１１の移動動作に関する見かけの粘性係数Ｄを設定し、変換係数として１／Ｄ（粘性係数）を用いる。すなわち、目標移動速度は、合力Ｆｍｏｖｅに１／Ｄ（粘性係数）を乗じて算出され、その大きさは合力Ｆｍｏｖｅの大きさに比例し、その方向は合力Ｆｍｏｖｅの方向と一致する。
【００４０】
また、合力Ｆｍｏｖｅの大きさを電動車椅子１１に作用させる移動推進力とし、その移動推進力に基づいて電動車椅子１１を動作させてもよい。
【００４１】
次に、制御部２１で、操作力Ｆｏｐｅと合力Ｆｍｏｖｅのなす角である補正角θａが算出される（ステップＳ０７）。なお、電動車椅子１１は合力Ｆｍｏｖｅの方向へ移動するため、合力Ｆｍｏｖｅの方向が電動車椅子１１の移動方向である。また、操作力Ｆｏｐｅの方向が、操作者が操作した方向である。もし、電動車椅子１１が操作方向と補正角θａずれた方向である合力Ｆｍｏｖｅの方向に移動すると、操作した方向とは異なるため、操作者は違和感や不安感を感じてしまうことになる。
【００４２】
次に、制御部２１で、補正角θａが姿勢変更角以上であるか否かを判定される（ステップＳ０８）。なお、本実施の形態１における電動車椅子１１は、姿勢変更角を６０°としている。人間の視野角は、水平約２００°であるが、視細胞の分布や眼球の構造上、中心ほど分解能が高く注意も向けやすいという性質がある。情報受容能力に優れる有効視野は水平３０°であり、頭部の運動を伴うことで無理なく対象を注視できる安定注視野は水平に６０〜９０°である。本実施の形態１では、安定注視野である６０°を姿勢変更角と設定した。なお、加齢や障害等により、視野角は変化するため、６０°に限定されるものではない。有効視野である３０°から人間の視野角である２００°の範囲内で、操作者の状態に応じて設定すればよい。
【００４３】
そして、補正角θａが姿勢変更角以上であれば、制御部２１は、車体部１４の移動を止めて、操作力Ｆｏｐｅの方向と合力Ｆｍｏｖｅの方向とのなす角が小さくなるように、モータ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄを制御して、車体部１４をｚｒ軸まわりに回転させる（ステップＳ０９）。
【００４４】
また、補正角θａが姿勢変更角未満であれば、制御部２１は、操作力Ｆｏｐｅの方向と合力Ｆｍｏｖｅの方向とのなす角が小さくなるように車体部１４をｚｒ軸まわりに徐々に回転させながら、合力Ｆｍｏｖｅに基づいて車体部１４を移動させる（ステップＳ１０）。つまり、補正角θａが姿勢変更角未満であれば、制御回路部２２は、ステップＳ０１〜ステップＳ０８、ステップＳ１０を繰り返す。そして、補正角θａが姿勢変更角以上であれば、制御回路部２２は、ステップＳ１０を実行する。これにより、操作者が違和感や不安感を強く感じるくらい補正角θａが大きい場合には、まず補正角θａが小さくなるまで電動車椅子１１の操作方向と移動方向とを近づけることで、操作者の違和感や不安感を抑制する。
【００４５】
なお、このように車体部１４の姿勢をｚｒ軸まわりに回転させている回転動作について、音を発生させたり、ＬＥＤ等で発光させて、姿勢修正中（回転中）である旨を操作者へ伝える手段（図示せず）を更に備えるのが好ましい。このような手段を備えることで、操作者は、移動方向が変わっているのではなく、車体部１４がｚｒ軸まわりに回転していることを認識することができる。
【００４６】
また、ステップＳ０３において障害物センサ１８で障害物を検出し、ステップＳ０４で障害物がないと判断されると、図４に示すように、制御部２１は、車体部１４を操作力Ｆｏｐｅに基づいて車体部１４を移動させる（ステップＳ１１）。障害物を検出しないので仮想斥力Ｆｏｂｊが発生せず、操作方向と移動方向は一致しているので、障害物が検出されない場合、操作者の違和感や不安感が発生することはない。
【００４７】
なお、補正角θａが姿勢変更角以上の場合、車体部１４の移動を止めて姿勢を修正するのではなく、操作者が不安感を抱かないように、合力Ｆｍｏｖｅの大きさを半分以下に制限して、操作力Ｆｏｐｅの方向と合力Ｆｍｏｖｅの方向とのなす角が小さくなるように車体部１４の姿勢をｚｒ軸まわりに徐々に回転させながら移動させてもよい。このように合力Ｆｍｏｖｅを制御することで、操作方向と移動方向とが大きくずれたまま車体部１４が並進移動を行なっても、操作者に対する違和感や不安感を抑えることができる。
【００４８】
図５は、本実施の形態１における障害物回避を行う電動車椅子１１を説明するための図である。
【００４９】
領域Ｍにある電動車椅子１１は、操作力Ｆｏｐｅの方向に移動し続けると障害物３１に衝突してしまう。この時、障害物センサ１８が障害物３１を検出していると、障害物３１までの距離と方向に応じて仮想斥力Ｆｏｂｊが算出される。
【００５０】
そして、操作力Ｆｏｐｅと仮想斥力Ｆｏｂｊより合力Ｆｍｏｖｅを算出して、合力Ｆｍｏｖｅの方向へ電動車椅子１１が移動する。この時、操作力Ｆｏｐｅの方向と合力Ｆｍｏｖｅの方向とのなす角が小さくなるように矢印Ｑ１の方向に電動車椅子１１を回転させながら移動する。すると、操作入力部１３の操作方向（操作力Ｆｏｐｅの方向）が電動車椅子１１の移動方向（合力Ｆｍｏｖｅの方向）に近づいていくため、操作者は、電動車椅子１１の操作性に違和感や不安感なく操作することができる。また、操作者は、電動車椅子１１が回転することで、障害物３１が存在していることに気づくことができる。
【００５１】
その後、領域Ｎの位置に移動する。電動車椅子１１の移動に伴い、仮想斥力Ｆｏｂｊの大きさ及び方向は変わっていく。
【００５２】
そして、領域Ｎの位置にある電動車椅子１１は、Ｆｍｏｖｅの方向へ移動しながら、矢印Ｑ２の方向へ回転し、領域Ｌに移動する。
【００５３】
ただし、補正角θａが姿勢変更角以上である場合は、電動車椅子１１を動かすための制御が異なる。
【００５４】
補正角θａが姿勢変更角以上の角度である場合、そのまま移動すると操作した方向と移動する方向の差が大きいため、操作者は違和感や不安感を強く感じてしまう。そこで、合力Ｆｍｏｖｅの方向へ車体部１４を移動させながら車体部１４を回転させて姿勢を修正するのではなく、まず、車体部１４を回転させて補正角θａが姿勢変更角未満になった後、合力Ｆｍｏｖｅの方向への車体部１４の移動を行う。このような順序で車体部１４を制御することで、操作方向と移動方向とが大きくずれた状態で電動車椅子１１が移動することがなく、操作者に対する違和感や不安感を抑えるようにしている。なお、本実施の形態１で、姿勢変更角を６０°とするが、不安感は操作者それぞれによって異なるために、６０°に限定されるものではない。また、補正角θａが姿勢変更角以上の角度である場合、上記の方法では、補正角θａが姿勢変更角未満になるまで合力Ｆｍｏｖｅの方向への移動が無効になるように制御したが、移動を無効にせず移動速度を制限する制御を行ってもよい。
【００５５】
なお、操作力Ｆｏｐｅは、操作入力部１３において検出される操作方向および操作量により操作力推測部１７で算出されているが、操作者が電動車椅子１１に加えた操作力Ｆｏｐｅを直接検出する操作力入力機構を用いてもよい。つまり、操作入力部１３と操作力推測部１７との代わりに、操作力入力機構を車体部１４に設けてもよい。
【００５６】
また、上述した内容は、操作力および仮想斥力に基づいて移動する全方向移動型電動車両に関して説明したが、上述のように力ベースの制御系に適用するのではなく、速度ベースの制御系に適用してもよい。すなわち、操作力および仮想斥力の代わりに操作速度および回避速度に基づいて移動する全方向移動型電動車両に対して、上述した内容を適用してもよい。
【００５７】
この場合には、操作力推測部１７の代わりに、操作速度算出部を設け、操作速度算出部にて、操作入力部１３において検出される操作方向および操作量に基づき、操作速度を算出する。そして、仮想斥力算出部１９の代わりに、回避速度算出部を設け、回避速度算出部にて、障害物センサが検出した障害物までの距離に反比例し、かつ、障害物と反対方向に作用する回避速度を算出する。そして、合力算出部２０の代わりに、合成速度算出部を設け、合成速度算出部にて、操作速度および回避速度の合成速度を算出し、車体部を操作速度の方向から合成速度の方向へ回転させながら、合成速度の方向へ移動するように車体部１４を制御してもよい。
【００５８】
つまり、全方向移動型電動車両は、車体部と、操作者が操作した操作方向および操作量を検出する車体部に設けた操作入力部と、操作入力部において検出される操作方向および操作量により操作速度を算出する操作速度算出部と、障害物までの距離および方向を検出する障害物センサと、障害物センサが検出した障害物までの距離に反比例し、かつ、障害物と反対方向に作用する回避速度を算出する回避速度算出部と、操作速度および回避速度の合成速度を算出する合成速度算出部と、車体部を操作速度の方向から合成速度の方向へ回転させながら、合成速度の方向へ移動するように制御する制御部とを備えた構成であってもよい。
【００５９】
また、操作速度と合成速度とのなす角が、姿勢変更角以上である場合、制御部は、車体部を操作速度の方向から合成速度の方向へ回転させ、操作速度と合成速度とのなす角が、姿勢変更角未満になったら、車体部を操作速度の方向から合成速度の方向へ回転させながら、合成速度の方向へ移動するように制御してもよい。
【００６０】
また、操作速度と合成速度とのなす角が、姿勢変更角以上である場合、合成速度の方向へ移動する移動速度の大きさを制限してもよい。具体的には、合成速度の半分以下の速度に制限する。このように合成速度を制限することで、操作方向と移動方向とが大きくずれたまま並進移動を行なっても、操作者に対する違和感や不安感を抑えることができる。
【００６１】
また、上述した内容は、操作力および仮想斥力、あるいは、操作速度および回避速度に基づいて移動する全方向移動型電動車両に関するが、これに限定されるものではない。操作者が操作した操作方向および操作量に基づき、車体部が移動し、障害物センサで検出される障害物情報に基づき、車体部の移動方向を修正する全方向移動型電動車両であれば、上述した内容を適用できる。
【００６２】
すなわち、車体部と、操作者が操作した操作方向および操作量を検出する前記車体部に設けた操作入力部と、前記操作入力部で検出される操作方向及び操作量に基づき、前記車体部を移動させる目標移動方向を設定し、前記車体部を前記目標移動方向へ移動させる制御部と、を備えた全方向移動型電動車両において、さらに、障害物までの距離および方向を検出する障害物センサを備えてもよい。この場合、制御部は、障害物センサで検出される障害物までの距離および方向に基づき、目標移動方向を障害物を回避する方向へ修正し、車体部を操作方向から目標移動方向に回転させながら、目標移動方向に移動させる構成であってもよい。
【００６３】
また、操作速度と合成速度とのなす角が姿勢変更角以上である場合、制御部は、車体部を操作速度の方向から合成速度の方向へ回転させ、操作速度と合成速度とのなす角が姿勢変更角未満になったら、車体部を操作速度の方向から合成速度の方向へ回転させながら、合成速度の方向へ移動するように制御してもよい。
【００６４】
また、操作方向と目標移動方向とのなす角が姿勢変更角以上である場合、制御部は、車体部を目標移動方向へ移動させずに操作方向から目標移動方向へ回転させ、操作方向と目標移動方向とのなす角が姿勢変更角未満になったら、車体部を操作方向から目標移動方向へ回転させながら、目標移動方向へ移動させるように制御してもよい。また、操作方向と目標移動方向とのなす角が、姿勢変更角以上である場合、目標移動方向への移動速度を制限して移動させるように制御してもよい。具体的には、合成速度の半分以下の速度に制限する。
【００６５】
なお、全方向移動型電動車両として全方向移動型の電動車椅子１１を用いて説明しているが、全方向移動型のパワーアシストカートに、上述した内容を適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明の全方向移動型電動車両は、操作者の違和感や不安感が少ない全方向型電動車両を利用することができる。そのため、全方向移動型の電動椅子車椅子、パワーアシストカート等に有用である。
【符号の説明】
【００６７】
１１ 電動車椅子
１３ 操作入力部
１４ 車体部
１５ 座面部
１６ アームレスト
１７ 操作力推測部
１８ 障害物センサ
１９ 仮想斥力算出部
２０ 合力算出部
２１ 制御部
２２ 制御回路部
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ モータ
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ 車輪
３１ 障害物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作入力部に入力された操作方向および操作量を検出する操作入力検出工程と、
前記操作方向および前記操作量に基づいて目標移動方向を設定する目標方向設定工程と、
周囲の障害物までの距離および方向を検出する障害物検出工程と、
前記障害物検出工程で検出された障害物までの距離および方向に基づいて前記目標移動方向を前記障害物を回避する方向へ修正し、前記操作方向から前記目標移動方向に回転させながら、前記目標移動方向に移動させる
全方向移動型電動車両の制御方法。
【請求項２】
予め姿勢変更角を設定し、
前記操作方向と前記目標移動方向とのなす角が前記姿勢変更角以上の場合は、前記目標移動方向へ移動させずに、前記操作方向から前記目標移動方向へ回転させ、
前記操作方向と前記目標移動方向とのなす角が前記姿勢変更角未満の場合は、前記操作方向から前記目標移動方向へ回転させながら、前記目標移動方向へ移動させる
請求項１に記載の全方向移動型電動車両の制御方法。
【請求項３】
前記操作方向と前記目標移動方向とのなす角が前記姿勢変更角以上である場合は、前記目標移動方向への移動速度を制限して移動させる
請求項２に記載の全方向移動型電動車両の制御方法。
【請求項４】
車体部と、
入力された操作方向および操作量を検出する操作入力部と、
周囲の障害物までの距離および方向を検出する障害物センサと、
前記操作方向および前記操作量に基づいて前記車体部を移動させる目標移動方向を設定し、前記障害物センサで検出された障害物までの距離および方向に基づいて前記目標移動方向を前記障害物を回避する方向へ修正し、前記車体部を前記操作方向から前記目標移動方向に回転させながら前記目標移動方向へ移動させる制御部と、を備えた
全方向移動型電動車両。
【請求項５】
予め姿勢変更角を設定し、
前記操作方向と前記目標移動方向とのなす角が前記姿勢変更角以上の場合は、前記目標移動方向へ移動させずに、前記操作方向から前記目標移動方向へ回転させ、
前記操作方向と前記目標移動方向とのなす角が前記姿勢変更角未満の場合は、前記操作方向から前記目標移動方向へ回転させながら、前記目標移動方向へ移動させる
請求項４に記載の全方向移動型電動車両。
【請求項６】
前記操作方向と前記目標移動方向とのなす角が前記姿勢変更角以上である場合は、前記目標移動方向への移動速度を制限して移動させる
請求項５に記載の全方向移動型電動車両。
【請求項７】
車体部と、
入力された操作力を検出する操作力入力部と、
障害物までの距離および方向を検出する障害物センサと、
前記障害物センサで検出された障害物までの距離に反比例し、かつ、前記障害物と反対方向に作用する仮想斥力を算出する仮想斥力算出部と、
前記操作力および前記仮想斥力の合力を算出する合力算出部と、
前記操作力の方向から前記合力の方向へ回転させながら、前記合力の方向へ移動するように、前記車体部の移動を制御する制御部と、を備えた
全方向移動型電動車両。
【請求項８】
車体部と、
入力された操作方向および操作量を検出する操作入力部と、
前記操作方向および前記操作量に基づいて操作力を推測する操作力推測部と、
障害物までの距離および方向を検出する障害物センサと、
前記障害物センサで検出された障害物までの距離に反比例し、かつ、前記障害物と反対方向に作用する仮想斥力を算出する仮想斥力算出部と、
前記操作力および前記仮想斥力の合力を算出する合力算出部と、
前記操作力の方向から前記合力の方向へ回転させながら、前記合力の方向へ移動するように、前記車体部の移動を制御する制御部と、を備えた
全方向移動型電動車両。
【請求項９】
前記合力算出部は、大きさが０から１の範囲内で、前記操作力の大きさに比例して大きくなる係数を前記仮想斥力に乗じた値および前記操作力の合力を算出する
請求項７または８に記載の全方向移動型電動車両。
【請求項１０】
前記制御部は、
前記操作力の方向と前記合力の方向とのなす角が予め設定された姿勢変更角以上の場合は、前記車体部を前記合力の方向へ移動させずに前記操作力の方向から前記合力の方向へ回転させ、
前記操作力の方向と前記合力の方向とのなす角が前記姿勢変更角未満の場合は、前記車体部を前記操作力の方向から前記合力の方向へ回転させながら、前記合力の方向へ移動させる
請求項７から９のいずれか１項に記載の全方向移動型電動車両。
【請求項１１】
前記制御部は、
前記操作力の方向と前記合力の方向とのなす角が予め設定された姿勢変更角以上の場合は、前記合力の方向への移動速度を制限して移動させる
請求項７から９のいずれか１項に記載の全方向移動型電動車両。
【請求項１２】
車体部と、
入力された操作方向および操作量を検出する操作入力部と、
前記操作方向および前記操作量に基づいて操作速度を算出する操作速度算出部と、
障害物までの距離および方向を検出する障害物センサと、
前記障害物センサで検出された障害物までの距離に反比例し、かつ、前記障害物と反対方向に作用する回避速度を算出する回避速度算出部と、
前記操作速度および回避速度の合成速度を算出する合成速度算出部と、
前記操作速度の方向から前記合成速度の方向へ回転させながら、前記合成速度の方向へ移動するように、前記車体部の移動を制御する制御部と、を備えた
全方向移動型電動車両。
【請求項１３】
前記合成速度算出部は、大きさが０から１の範囲内で、前記操作速度の大きさに比例して大きくなる係数を前記回避速度に乗じた値および前記操作速度の合成速度を算出する
請求項１２に記載の全方向移動型電動車両。
【請求項１４】
前記制御部は、
前記操作速度の方向と前記合成速度の方向とのなす角が予め設定された姿勢変更角以上の場合は、前記車体部を前記合成速度の方向へ移動させず、前記操作速度の方向から前記合成速度の方向へ回転させ、
前記操作速度の方向と前記合成速度の方向とのなす角が前記姿勢変更角未満の場合は、前記車体部を前記操作速度の方向から前記合成速度の方向へ回転させながら、前記合成速度の方向へ移動するように制御する
請求項１２または１３に記載の全方向移動型電動車両。
【請求項１５】
前記制御部は、
前記操作速度の方向と前記合成速度の方向とのなす角が予め設定された姿勢変更角以上の場合は、前記合成速度の方向へ移動する移動速度の大きさを制限して移動させる
請求項１２または１３に記載の全方向移動型電動車両。
【請求項１６】
前記制御部は、
前記車体部の回転動作時に、音を発生させる、あるいは、光を発光させる
請求項４から１５のいずれか１項に記載の全方向移動型電動車両。
【請求項１】
操作入力部に入力された操作方向および操作量を検出する操作入力検出工程と、
前記操作方向および前記操作量に基づいて目標移動方向を設定する目標方向設定工程と、
周囲の障害物までの距離および方向を検出する障害物検出工程と、
前記障害物検出工程で検出された障害物までの距離および方向に基づいて前記目標移動方向を前記障害物を回避する方向へ修正し、前記操作方向から前記目標移動方向に回転させながら、前記目標移動方向に移動させる
全方向移動型電動車両の制御方法。
【請求項２】
予め姿勢変更角を設定し、
前記操作方向と前記目標移動方向とのなす角が前記姿勢変更角以上の場合は、前記目標移動方向へ移動させずに、前記操作方向から前記目標移動方向へ回転させ、
前記操作方向と前記目標移動方向とのなす角が前記姿勢変更角未満の場合は、前記操作方向から前記目標移動方向へ回転させながら、前記目標移動方向へ移動させる
請求項１に記載の全方向移動型電動車両の制御方法。
【請求項３】
前記操作方向と前記目標移動方向とのなす角が前記姿勢変更角以上である場合は、前記目標移動方向への移動速度を制限して移動させる
請求項２に記載の全方向移動型電動車両の制御方法。
【請求項４】
車体部と、
入力された操作方向および操作量を検出する操作入力部と、
周囲の障害物までの距離および方向を検出する障害物センサと、
前記操作方向および前記操作量に基づいて前記車体部を移動させる目標移動方向を設定し、前記障害物センサで検出された障害物までの距離および方向に基づいて前記目標移動方向を前記障害物を回避する方向へ修正し、前記車体部を前記操作方向から前記目標移動方向に回転させながら前記目標移動方向へ移動させる制御部と、を備えた
全方向移動型電動車両。
【請求項５】
予め姿勢変更角を設定し、
前記操作方向と前記目標移動方向とのなす角が前記姿勢変更角以上の場合は、前記目標移動方向へ移動させずに、前記操作方向から前記目標移動方向へ回転させ、
前記操作方向と前記目標移動方向とのなす角が前記姿勢変更角未満の場合は、前記操作方向から前記目標移動方向へ回転させながら、前記目標移動方向へ移動させる
請求項４に記載の全方向移動型電動車両。
【請求項６】
前記操作方向と前記目標移動方向とのなす角が前記姿勢変更角以上である場合は、前記目標移動方向への移動速度を制限して移動させる
請求項５に記載の全方向移動型電動車両。
【請求項７】
車体部と、
入力された操作力を検出する操作力入力部と、
障害物までの距離および方向を検出する障害物センサと、
前記障害物センサで検出された障害物までの距離に反比例し、かつ、前記障害物と反対方向に作用する仮想斥力を算出する仮想斥力算出部と、
前記操作力および前記仮想斥力の合力を算出する合力算出部と、
前記操作力の方向から前記合力の方向へ回転させながら、前記合力の方向へ移動するように、前記車体部の移動を制御する制御部と、を備えた
全方向移動型電動車両。
【請求項８】
車体部と、
入力された操作方向および操作量を検出する操作入力部と、
前記操作方向および前記操作量に基づいて操作力を推測する操作力推測部と、
障害物までの距離および方向を検出する障害物センサと、
前記障害物センサで検出された障害物までの距離に反比例し、かつ、前記障害物と反対方向に作用する仮想斥力を算出する仮想斥力算出部と、
前記操作力および前記仮想斥力の合力を算出する合力算出部と、
前記操作力の方向から前記合力の方向へ回転させながら、前記合力の方向へ移動するように、前記車体部の移動を制御する制御部と、を備えた
全方向移動型電動車両。
【請求項９】
前記合力算出部は、大きさが０から１の範囲内で、前記操作力の大きさに比例して大きくなる係数を前記仮想斥力に乗じた値および前記操作力の合力を算出する
請求項７または８に記載の全方向移動型電動車両。
【請求項１０】
前記制御部は、
前記操作力の方向と前記合力の方向とのなす角が予め設定された姿勢変更角以上の場合は、前記車体部を前記合力の方向へ移動させずに前記操作力の方向から前記合力の方向へ回転させ、
前記操作力の方向と前記合力の方向とのなす角が前記姿勢変更角未満の場合は、前記車体部を前記操作力の方向から前記合力の方向へ回転させながら、前記合力の方向へ移動させる
請求項７から９のいずれか１項に記載の全方向移動型電動車両。
【請求項１１】
前記制御部は、
前記操作力の方向と前記合力の方向とのなす角が予め設定された姿勢変更角以上の場合は、前記合力の方向への移動速度を制限して移動させる
請求項７から９のいずれか１項に記載の全方向移動型電動車両。
【請求項１２】
車体部と、
入力された操作方向および操作量を検出する操作入力部と、
前記操作方向および前記操作量に基づいて操作速度を算出する操作速度算出部と、
障害物までの距離および方向を検出する障害物センサと、
前記障害物センサで検出された障害物までの距離に反比例し、かつ、前記障害物と反対方向に作用する回避速度を算出する回避速度算出部と、
前記操作速度および回避速度の合成速度を算出する合成速度算出部と、
前記操作速度の方向から前記合成速度の方向へ回転させながら、前記合成速度の方向へ移動するように、前記車体部の移動を制御する制御部と、を備えた
全方向移動型電動車両。
【請求項１３】
前記合成速度算出部は、大きさが０から１の範囲内で、前記操作速度の大きさに比例して大きくなる係数を前記回避速度に乗じた値および前記操作速度の合成速度を算出する
請求項１２に記載の全方向移動型電動車両。
【請求項１４】
前記制御部は、
前記操作速度の方向と前記合成速度の方向とのなす角が予め設定された姿勢変更角以上の場合は、前記車体部を前記合成速度の方向へ移動させず、前記操作速度の方向から前記合成速度の方向へ回転させ、
前記操作速度の方向と前記合成速度の方向とのなす角が前記姿勢変更角未満の場合は、前記車体部を前記操作速度の方向から前記合成速度の方向へ回転させながら、前記合成速度の方向へ移動するように制御する
請求項１２または１３に記載の全方向移動型電動車両。
【請求項１５】
前記制御部は、
前記操作速度の方向と前記合成速度の方向とのなす角が予め設定された姿勢変更角以上の場合は、前記合成速度の方向へ移動する移動速度の大きさを制限して移動させる
請求項１２または１３に記載の全方向移動型電動車両。
【請求項１６】
前記制御部は、
前記車体部の回転動作時に、音を発生させる、あるいは、光を発光させる
請求項４から１５のいずれか１項に記載の全方向移動型電動車両。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−９０４０９（Ｐ２０１２−９０４０９Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３４３０９（Ｐ２０１０−２３４３０９）
【出願日】平成２２年１０月１９日（２０１０．１０．１９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２２年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「生活支援ロボット実用化プロジェクト」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１９日（２０１０．１０．１９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２２年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「生活支援ロボット実用化プロジェクト」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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