JPH10234784A

JPH10234784A - 電動車椅子

Info

Publication number: JPH10234784A
Application number: JP9047530A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Enomoto; 康男榎本; Haruji Nakamura; 治司中村; Toshitoki Inoue; 利勅井上
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-03-03
Filing date: 1997-03-03
Publication date: 1998-09-08

Abstract

(57)【要約】【課題】ハンドリムに与えられる操作トルクの大小に
応じたモータの駆動力によりパワーアシストを行う電動
車椅子において、操作性を向上させることを目的とす
る。【解決手段】ハンドリム２と、ハンドリム２に加わる
手動操作トルクを検出するトルクセンサ５４と、車輪３
と、前記車輪３にバックドライブトルクの低い減速機構
２２を介して連結されたモータ２１と、前記トルクセン
サ５４の出力を判断し出力値が一定値以上になった時前
記モータ２１に電流を流しモータ２１を駆動する制御回
路で構成することにより、クラッチを断接する時に発生
する衝撃を解消し、操作性を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ハンドリムに与え
られる操作トルクの大小に応じたモータの駆動力により
パワーアシストを行う電動車椅子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、パワーアシストを行う電動車椅子
は特開平８−２７５９７４号公報に記載されたものが知
られている。

【０００３】図１６、１７は従来の電動車椅子の構造を
示しており、ハンドリム２に与えられる手動操作トルク
を以下の様にして求める。即ち、この手動操作トルクは
ハンドリム２の車輪３に対する回転方向の相対変位を車
輪３の内面側に位置するトルク応動部材５１の駆動軸２
３の軸線方向への変位に変換する方向変換手動５２と、
トルク応動部材５１に対向して固定部５３に設けられト
ルク応動部材５１の軸線方向の変位に応動してトルクを
検出するトルクセンサ５４とから検出し、この検出され
た手動操作トルクに応じモータ２１を働かせてクラッチ
２４を介し車輪３を駆動しパワーアシストを行う。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この電動車椅子におい
ては、操作者の感性に適合した良好な操作性が要求され
ている。しかしながらモータと車輪をクラッチで切断し
ている手動時から、接続しているモータ駆動時に切り替
わる時に衝撃が発生し、操作者に違和感を与え、操作性
を損なう原因となっている。

【０００５】したがって本発明は、操作性を向上させる
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の電動車椅子は、ハンドリムと、ハンドリムに
加わる手動操作トルクを検出するトルクセンサと、車輪
と、前記車輪にバックドライブトルクの低い低減機構を
介して連結されたモータと、前記トルクセンサの出力を
判断し出力値が一定値以上になった時前記モータに電流
を流しモータを駆動する制御回路で構成したものであ
る。

【０００７】これにより、モータ駆動時のクラッチの断
接による衝撃を解消することができ良好な操作性が得ら
れ、またクラッチの断接の際に使用されていた電力を０
にすることができ消費電力の低い電動車椅子が得られ
る。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、ハンドリムと、ハンドリムに加わる手動操作トルク
を検出するトルクセンサと、車輪と、前記車輪にバック
ドライブトルクの低い低減機構を介して連結されたモー
タと、前記トルクセンサの出力を判断し出力値が一定値
以上になった時前記モータに電流を流しモータを駆動す
る制御回路とで構成したものであり、パワーアシスト時
の操作性を向上させるという作用と、手動時の車椅子の
操作力を低くするという作用を有する。

【０００９】請求項２に記載の発明は、モータの制御回
路を、手動時に発生する前記モータの逆起電力の影響を
受けない構成にしたものであり、逆起電力による操作感
の悪化を解消するという作用を有する。

【００１０】請求項３に記載の発明は、制御回路を、モ
ータをスイッチング素子を介して制御し、トルクセンサ
の出力値が一定値以下の場合には前記スイッチング素子
をＯＦＦ状態にする構成にしたものであり、逆起電力に
よる操作感の悪化を解消するという作用を有する。

【００１１】請求項４に記載の発明は、モータの逆起電
力を検出する手段を有したものであり、検出した逆起電
力を制御に利用するという作用を有する。

【００１２】請求項５に記載の発明は、モータの逆起電
力を検出する手段をモータの端子に正方向信号側のホト
カプラーと負方向信号側のホトカプラーを並列に接続
し、それぞれのホトカプラーの出力電圧を車椅子の正方
向及び負方向の速度信号として制御回路を構成したもの
であり、検出した逆起電力を制御に利用するという作用
を有する。

【００１３】請求項６に記載の発明は、モータの逆起電
力により車速値を算出する手段と前記車速値よりモータ
駆動率を算出する手段を有したものであり、算出した車
速値とモータ駆動率を制御に利用するという作用を有す
る。

【００１４】請求項７に記載の発明は、モータの逆起電
力を検出する手段を有したものであり、検出した逆起電
力により車輪の回転方向と回転速度を検出し、制御に利
用するという作用を有する。

【００１５】請求項８に記載の発明は、車速値から回生
ブレーキ制御の制御量を決定するものであり、速度に適
したブレーキをかけるという作用を有する。

【００１６】請求項９に記載の発明は、手動操作トルク
から回生ブレーキ制御の制御量を決定するものであり、
操作者の意志に即したブレーキをかけるという作用を有
する。

【００１７】請求項１０に記載の発明は、入力トルク信
号の立ち上がり時に所望値を通過した時の前記逆起電力
信号をラッチし車速値とするものであり、制御入力信号
の影響を受けない安定した車速値を算出するという作用
を有する。

【００１８】請求項１１に記載の発明は、ハンドリムを
車輪と分離して配置し、ベルトにより接続する構成にし
たものであり、前記ハンドリムと前記車輪の小型化を実
現することにより車椅子自体を小型化することができ、
車椅子の操作性を向上させるという作用を有する。

【００１９】以下、本発明の一実施の形態について、図
１から図１９を用いて説明する。図１は電動車椅子の駆
動部分を示し、モータ２１は、電動時に駆動されるもの
で、遊星減速機等のバックドライブトルクの低い減速機
２２を介して駆動軸２３と車輪に連結されている。パワ
ーアシスト時には、モータ２１がクラッチを介さず車輪
と連結されているためクラッチを接続するための時間が
不要となり、瞬時にパワーアシストを行うことができ
る。手動時には車輪の回転が駆動軸２３と減速機２２を
介してモータ２１に伝達される。したがって手動時の操
作力は車輪とモータ２１の回転に使われるが、減速機２
２のバックドライブトルクが低いため操作者の大きな負
担にはならない。なお、減速機２２のバックドライブト
ルクを低いものとしたが、モータ２１のバックドライブ
トルクを低いものとしても良い。さらに、モータ２１、
減速機２２の両方とものバックドライブトルクを低いも
のとしても良い。

【００２０】図１において、モータ２１は手動時及び手
動操作トルクが所望値以下の時には、回路的に制御回路
と切り離される。このためモータ２１の逆起電力による
制御回路への影響は解消される。

【００２１】図２はモータ２１の制御回路の一部分を示
し、同図の上下で右側車輪用の制御部と左側車輪用の制
御部を同時に示すが構成は同一なので以下は代表して右
側制御部について説明する。スイッチング素子ＦＥＴａ
６３、ＦＥＴｂ６４、ＦＥＴｃ６５、ＦＥＴｄ６６全て
がハイインピーダンス状態になると、駆動回路とモータ
２１とは切り離された状態と等価であり、車椅子は停止
あるいは惰性走行している状態である。

【００２２】本実施形態においては逆起電力検出手段に
より車椅子走行時はモータ２１に発生する逆起電力を検
出し、制御に利用している。

【００２３】図２において、逆起電圧検出回路７０はモ
ータ２１の逆起電力を検出しプロセッサ６０に対し逆起
電圧信号と正方向信号と負方向信号を出力する。図３は
逆起電圧検出回路の一例で、図２の４個のスイッチング
素子ＦＥＴａ６３、ＦＥＴｂ６４、ＦＥＴｃ６５、ＦＥ
Ｔｄ６６全てがハイインピーダンス状態であるとき、モ
ータ２１の端子間にはモータ２１の回転方向と回転速度
に比例した極性と電圧が発生する。モータ２１の端子間
に接続された入力から前記の逆起電圧が与えられると、
電圧極性が正であれば正方向信号側のホトカプラー１０
０が作動し、正方向信号がＯＮになると同時に逆起電圧
出力に電圧の大きさが出力される。また電圧極性が負で
あれば負方向信号側のホトカプラー１０１が作動し、負
方向信号がＯＮになると同時に逆起電圧出力に電圧の大
きさが整流され正電圧として出力される。これらの関係
をもう少し詳しく説明する。図４において横軸は車速す
なわちモータ回転数であり、縦軸はモータ２１の逆起電
圧を示す。図５は上記のモータ回転数に対応した逆起電
圧検出回路７０の逆起電圧信号出力の関係を示す。図６
は上記のモータ回転数に対応した逆起電圧検出回路７０
の正方向信号出力の関係を示す。図７は上記のモータ回
転数に対応した逆起電圧検出回路７０の負方向信号出力
の関係を示す。逆起電圧が零付近では逆起電圧信号出
力、正方向信号出力、負方向信号出力はそれぞれダイオ
ード順方向電圧の２倍程度の不感帯を持っている。これ
らは零点付近の微少なノイズを無視するのに有効であ
る。制御回路が安定に動作するためには逆起電圧信号が
立ち上がるより前に正方向信号または負方向信号が出力
していることが望まれるが、ホトカプラーの順方向の立
ち上がり電圧よりダイオードブリッジの２個のダイオー
ド順方向電圧の方が若千低いため、図３の回路構成にす
ることにより上記のタイミングは満足される。

【００２４】図２において、トルクセンサ５４は手動操
作トルクの大きさに比例した電圧を入力トルク信号とし
て出力する。手動操作トルクが零の時、入力トルク信号
が零であることが望ましいが、オフセットを持っていて
も次段で補正する事により支障なく使用できる。ワンチ
ップマイコン等のプロッセッサ６０は、入力としてトル
クセンサ５４から入力トルク信号、逆起電圧検出回路７
０から逆起電圧信号、正方向信号、負方向信号を取り込
み、入力トルク信号を逆起電圧定数で除すことによりモ
ータ回転数を得、さらに減速比と車輪外周長を乗すこと
により車速値を算出する。電機子モータの特性は一般的
に図８に示すようにトルクとモータ回転数は逆比例の関
係にある。車速度が０からＶ１の間の遅い車速度の時は
トルクがＴ１より大きくなりモータ電流が流れ過ぎモー
タ２１、バッテリー及びモータ駆動回路の損傷を引き起
こす可能性があるため、ＰＷＭ制御であればデューティ
ー比を小さく、電圧制御であれば電圧を低く速度に対応
させて制御する必要がある。またＶ１より早い車速度の
時はデューティー比または電圧を最大に制御しておかな
いと所望のトルクが所望の車速度まで得ることができな
い。したがって車速値と入力トルク信号の量からモータ
２１の制御量すなわちモータ駆動率を算出する。

【００２５】図９は入力トルク信号と逆起電圧の極性に
よる制御モードの状態を示す。車椅子のモータ制御は前
進方向と（これを正方向とする）後進方向、（これを負
方向とする）の双方向に付いて同等に制御する必要があ
る。且つまたパワーアシスト車椅子の場合はさらに前後
双方向に回生ブレーキ機能を持つことが望まれる。この
制御モードを切り替えるための情報として、モータの回
転方向すなわち逆起電圧極性を得るため逆起電圧検出回
路７０から逆起電圧信号の他に、正方向信号、負方向信
号を取り込み、入力トルク信号の極性との組合せで図１
０のスイッチング素子ＦＥＴａ６３、ＦＥＴｂ６４、Ｆ
ＥＴｃ６５、ＦＥＴｄ６６の動作状況により４つの制御
モードＩ〜ＩＶとなる。モードＩは前進方向への加勢駆
動のモードである。モードＩＩは４個のスイッチング素
子全てがハイインピーダンス状態になるモードで、駆動
回路とモータとは切り放された状態と等価であり、車椅
子は停止あるいは惰性走行している状態である。モード
ＩＩＩは後進方向への加勢駆動のモードである。モード
ＩＶはスイッチング素子ＦＥＴｂ６４とＦＥＴｄ６６を
導通させ、モータ２１の端子間をショートさせることに
より回生ブレーキを掛けるモードになる。上記のモード
Ｉ、モードＩＩＩ、モードＩＶは図９のＩ、ＩＩＩ、Ｉ
Ｖと対応している。モードＩＩは入力電圧が零に近い閾
値以下の場合でプロッセサ６０の出力の制御量が零の時
のモードである。図２においてロジック部６１はＰＬ
Ａ、ゲートアレイ等のプログラム可能な倫理素子または
ランダムロジック部品等で構成され、前記のモード信
号、方向信号、モータ制御量の入力からスイッチング素
子ＦＥＴａ６３、ＦＥＴｂ６４、ＦＥＴｃ６５、ＦＥＴ
ｄ６６を駆動するＰＷＭ信号を出力する。

【００２６】なおここで駆動方式をＰＷＭ制御としてい
るが、これは電圧制御としても全く同様の効果が得られ
る。

【００２７】図１１は車速値と回生ブレーキ制御のデュ
ーティ比の関係を示したもので、車速値が高いほどデュ
ーティ比を低くしてある。これは車速値が高いときにデ
ューティ比が高いと、操作者に衝撃を与えることになり
操作性の悪化につながるためである。したがって自然な
ブレーキ制御を行うために図１１の関係を設定してい
る。また、車速値が０に近いところではモード移行が滑
らかに行えるようにデューティ比を０にしている。

【００２８】図１２は手動操作トルクと回生ブレーキ制
御のデューティ比の関係を示したもので、手動操作トル
クが高いほどデューティ比を高くしてある。これは操作
者の意志が手動操作トルクに反映されているので、手動
操作トルクに応じたデューティ比にすることにより操作
性を向上させることができる。また、加勢制御とデュー
ティ比の決定が同じ方式なので操作者は違和感なく操作
することができるという利点もある。なお、デューティ
比を手動操作トルクのみから決定したが、手動操作トル
クと車速値の両方を考慮して車速値からデューティ比の
最高を決定し、それを手動操作トルクの量で配分して決
定してもよい。

【００２９】図１３は静止状態から前進方向に２回ハン
ドリムを操作し車椅子を駆動したときの入力トルク信号
を示す。横軸に車椅子が静止状態からスタートした時間
の経過をとり、縦軸にはその時刻での入力トルク電圧を
示す。また図１３には上記の時刻における逆電圧信号を
示す。１回目の操作により入力トルクが立ち上がる時、
プロセッサ６０内に設定された第１閾値を入力トルク信
号が通過する瞬間トリガーが掛かり逆起電圧信号がプロ
セッサ６０のなかでラッチされ記憶される。その記憶さ
れた電圧を併記している。また同時に正方向信号と負方
向信号の状態が記憶される。今回の例の１回目の操作の
場合は記憶された逆起電圧信号はほぼ零であり、記憶さ
れた方向信号は正負ともＯＦＦである。同様に２回目の
操作の場合は記憶された逆起電圧信号はその操作開始時
の速度に相当する逆起電圧であり、記憶された方向信号
は正である。図１４は前進方向に走行中にハンドリムを
掴んでブレーキを掛け停止した後こんどは後進方向にハ
ンドリムを操作し車椅子を駆動したときの入力トルク信
号を示す。図１４における各座標軸の意味は図１３にお
けるそれと同意である。ブレーキが掛けられ入力トルク
信号がマイナス方向に立ち上がる時前記プラス側の第１
閾値とほぼ同程度の幅のマイナス側の第１閾値を入力ト
ルク信号が通過する瞬間トリガーが掛かり逆起電圧信号
がプロセッサ６０のなかでラッチされ記憶される。その
記憶された電圧を図１４に併記する。また同時に正方向
信号と負方向信号の状態が記憶される。今回のブレーキ
操作の場合は記憶された逆起電圧信号はある正の値であ
り、記憶された方向信号は正である。同様に２回目の後
進方向に操作の場合は記憶された逆起電圧信号はほぼ零
であり、記憶された方向信号は正負ともＯＦＦである。
これらの記憶された逆起電圧信号と方向信号の組み合わ
せにより図９で示す制御のモードが決定される。

【００３０】図１５は電動車椅子を示し、通常車輪３と
同心円状外側に配置されるハンドリム２を車輪３と分離
して配置し、ハンドリム２に入力されたトルクはプーリ
４、ベルト１、プーリ５を介して車輪３に伝達される。
このためハンドリム２を取付けるために必要であった寸
法分、幅方向に小型化することが可能となる。また、パ
ワーアシストを行うことにより入力トルクの不足分を補
助することができるため、ハンドリム２と車輪３の径を
小さくしても操作性を損なうことがないうえ、軽量化で
きる利点があるため、操作性は向上する。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、手動とモ
ータ駆動の切替時に衝撃が発生することなく、違和感の
ない操作性の良好な小型軽量の電動車椅子が実現できる
という有利な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態による電動車椅子の駆動
部分を示す図

【図２】本発明の一実施の形態による電動車椅子のモー
タの制御回路の一部分を示す図

【図３】本発明の一実施の形態によるモータの電動車椅
子の逆起電圧を検出する回路を示す図

【図４】モータ回転数と逆起電圧の関係を示す図

【図５】モータ回転数と逆起電圧信号の関係を示す図

【図６】モータ回転数と正方向信号の関係を示す図

【図７】モータ回転数と負方向信号の関係を示す図

【図８】モータ回転数とトルクの関係を示す図

【図９】入力トルク信号と逆起電圧の極性による制御モ
ードの状態を示す図

【図１０】図２に示す制御装置におけるスイッチング素
子の動作状況を示す図

【図１１】本発明の一実施の形態による電動車椅子の車
速値と回生ブレーキデューティ比の関係を示す図

【図１２】本発明の一実施の形態による電動車椅子の手
動操作トルクと回生ブレーキデューティ比の関係を示す
図

【図１３】本発明の一実施の形態による電動車椅子の入
力トルク信号、逆起電圧信号、正方向信号、負方向信号
の一例を示す図

【図１４】本発明の一実施の形態による電動車椅子の入
力トルク信号、逆起電圧信号、正方向信号、負方向信号
の一例を示す図

【図１５】本発明の一実施の形態による電動車椅子の全
体構成を示す外観図

【図１６】従来の電動車椅子を示す図

【図１７】従来の電動車椅子の駆動率の構造を示す図

【符号の説明】

１ベルト２ハンドリム３車輪２１モータ２２減速機５４トルクセンサ６３スイッチング素子ＦＥＴａ６４スイッチング素子ＦＥＴｂ６５スイッチング素子ＦＥＴｃ６６スイッチング素子ＦＥＴｄ７０逆起電圧検出回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ハンドリムと、ハンドリムに加わる手動
操作トルクを検出するトルクセンサと、車輪と、前記車
輪にバックドライブトルクの低い低減機構を介して連結
されたモータと、前記トルクセンサの出力を判断し出力
値が一定値以上になった時前記モータに電流を流しモー
タを駆動する制御回路とからなる電動車椅子。
【請求項２】モータは手動時及び手動操作トルクが所
望値以下の時には制御回路と切り離されている請求項１
記載の電動車椅子。
【請求項３】制御回路はモータをスイッチング素子を
介して制御し、トルクセンサの出力値が一定値以下の場
合には前記スイッチング素子をハイインピーダンス状態
にすることを特徴とする請求項２記載の電動車椅子。
【請求項４】モータに発生する逆起電力を検出する手
段を有する請求項１、又は２記載の電動車椅子。
【請求項５】モータに発生する逆起電力を検出する手
段は、モータの端子に正方向信号側のホトカプラーと負
方向信号側のホトカプラーを並列に接続し、前記それぞ
れのホトカプラーの出力電圧を正方向及び負方向の速度
信号として制御回路を構成したことを特徴とする請求項
４記載の電動車椅子。
【請求項６】モータに発生する逆起電力より車速値を
算出する手段と、前記車速値よりモータ駆動率を算出す
る手段を有することを特徴とする請求項４、又は５記載
の電動車椅子。
【請求項７】手動操作トルクを検出した入力トルク信
号と逆起電力より得られた車速値の方向弁別手段を有
し、方向が同方向であれば加勢制御、異方向であれば回
生ブレーキ制御を行うことを特徴とする請求項６記載の
電動車椅子。
【請求項８】回生ブレーキ制御の制御量を、車速値に
よって決定することを特徴とする請求項７記載の電動車
椅子。
【請求項９】回生ブレーキ制御の制御量を、手動操作
トルクによって決定することを特徴とする請求項７、又
は８記載の電動車椅子。
【請求項１０】入力トルク信号の立ち上がり時に所望
値を通過した時の逆起電力信号をラッチし車速値とする
ことを特徴とする請求項６、７、８、又は９記載の電動
車椅子。
【請求項１１】ハンドリムは車輪と分離して配置さ
れ、ベルトにより接続されている請求項１〜１０のいず
れか１項に記載の電動車椅子。