(57)【要約】      （修正有）【課題】アクティブキャスタを用いた手動車両の電動化ユニット及び手動車両の電動化ユニットの制御方法並びに電動車いす及び電動車いすの制御方法を提供する。【解決手段】電動車いす１００は、２つの手動用の車輪１３と、フレーム１２に取り付けられた本体部２７と、旋回軸心Ｒの周りに回転可能な脚部２３と、駆動軸心Ｑの周りに回転自在に配置された駆動輪２１と、駆動輪２１を回転させる第１の電気モータ２５と、脚部を回転させる第２の電気モータと、走行を操作する操作部２３０と、操作部２３０の操作によって出力された信号に基づいて第１の電気モータ２５と第２の電気モータとを駆動させる制御部と、を有する。【選択図】図３
2014073354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一回転軸心線上に配置された２つの車輪を少なくとも有する手動車両に取り付け可能な本体部と、
前記本体部に対して旋回軸心の周りに回転可能に取り付けられた脚部と、
前記旋回軸心に対して所定の離間距離を隔てて配置された駆動軸心を有し、前記脚部に対し該駆動軸心の周りに回転自在に取り付けられた駆動輪と、
前記駆動輪を前記脚部に対して回転させる第１の電気モータと、
前記脚部を前記本体部に対して回転させる第２の電気モータと、
前記手動車両の走行を操作する操作部と、
前記操作部の操作によって出力された信号に基づいて前記第１の電気モータと前記第２の電気モータとを駆動させる制御部と、
を有し、
前記制御部は、電動化ユニットを前記手動車両に取り付けた際に、前記操作部から出力された信号を前記手動車両の直進速度Ｖの指令値及び旋回速度Ωの指令値として入力し、下記式（１）に基づいて前記駆動輪の前記駆動軸心における第１の角速度ωｗ及び前記脚部の前記旋回軸心における第２の角速度ωｓを算出し、前記第１の角速度ωｗを出力して前記第１の電気モータを駆動し、前記第２の角速度ωｓを出力して前記第２の電気モータを駆動することを特徴とする、手動車両の電動化ユニット。
【数１】
2014073354.tif 000022
（ここで、ｒは前記駆動輪の半径、ｓは前記離間距離である。また、２つの前記車輪の回転軸心線をＹ軸、該Ｙ軸上の２つの前記車輪間の中点を原点として該Ｙ軸に垂直な仮想直線をＸ軸とした手動車両座標系を水平面内に設定したとき、φはＸ軸（前記手動車両の直進方向）に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度、ｘ、ｙは手動車両座標系における前記旋回軸心の位置であり、ｘは０でない。）
【請求項２】
電気モータによって駆動輪を駆動軸心の周りに回転することで移動し、かつ、電気モータによって該駆動輪を旋回軸心の周りに回転することで該駆動輪の移動方向を変更する電動化ユニットを同一回転軸心線上に配置された２つの車輪を少なくとも有する手動車両に取り付けた際に、
前記手動車両の直進速度Ｖの指令値及び旋回速度Ωの指令値から、下記式（１）に基づいて前記駆動軸心における第１の角速度ωｗ及び前記旋回軸心における第２の角速度ωｓを算出し、
前記駆動輪を前記第１の角速度ωｗで前記駆動軸心の周りに回転し、
前記駆動輪を前記第２の角速度ωｓで前記旋回軸心の周りに回転することを特徴とする、手動車両の電動化ユニットの制御方法。
【数１】
2014073354.tif 000023
（ここで、ｒは前記駆動輪の半径、ｓは前記旋回軸心と前記駆動軸心の離間距離である。また、２つの前記車輪の回転軸心線をＹ軸、該Ｙ軸上の２つの前記車輪間の中点を原点として該Ｙ軸に垂直な仮想直線をＸ軸とした手動車両座標系を水平面内に設定したとき、φはＸ軸（前記手動車両の直進方向）に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度、ｘ、ｙは手動車両座標系における前記旋回軸心の位置であり、ｘは０でない。）
【請求項３】
座部と、
前記座部を固定するフレームと、
前記座部を挟んで前記フレームに同一回転軸心線上で回転自在に取り付けられた２つの手動用の車輪と、
前記フレームに取り付けられた本体部と、
前記本体部に対して旋回軸心の周りに回転可能な脚部と、
前記旋回軸心に対して所定の離間距離を隔てて配置された駆動軸心を有し、前記脚部に対し該駆動軸心の周りに回転自在に配置された駆動輪と、
前記駆動輪を前記脚部に対して回転させる第１の電気モータと、
前記脚部を前記本体部に対して回転させる第２の電気モータと、
走行を操作する操作部と、
前記操作部の操作によって出力された信号に基づいて前記第１の電気モータと前記第２の電気モータとを駆動させる制御部と、
を有する電動車いすであって、
前記制御部は、前記操作部から出力された信号を前記電動車いすの直進速度Ｖの指令値及び旋回速度Ωの指令値として入力し、下記式（１）に基づいて前記駆動輪の前記駆動軸心における第１の角速度ωｗ及び前記脚部の前記旋回軸心における第２の角速度ωｓを算出し、前記第１の角速度ωｗを出力して前記第１の電気モータを駆動して前記駆動輪を回転し、前記第２の角速度ωｓを出力して前記第２の電気モータを駆動して前記電動車いすの進行方向を変更することを特徴とする、電動車いす。
【数１】
2014073354.tif 000024
（ここで、ｒは前記駆動輪の半径、ｓは前記離間距離である。また、２つの前記手動用の車輪の回転軸心線をＹ軸、該Ｙ軸上の２つの前記手動用の車輪間の中点を原点として該Ｙ軸に垂直な仮想直線をＸ軸とした車いす座標系を水平面内に設定したとき、φはＸ軸（前記車いすの直進方向）に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度、ｘ、ｙは車いす座標系における前記旋回軸心の位置であり、ｘは０でない。）
【請求項４】
請求項３において、
前記フレームに支持される２つの従動輪と、
前記従動輪の旋回動作を拘束する拘束機構と、
前記フレームを前記本体部に対して相対的に移動させ、前記手動用の車輪を接地状態と非接地状態とに変更するアクチュエータと、
をさらに有し、
前記従動輪を前記電動車いすの直進方向に向け、かつ、２つの前記従動輪を同一回転軸心線上に位置した状態で、前記拘束機構を駆動して前記従動輪の旋回動作を拘束し、
前記アクチュエータを駆動して前記手動用の車輪を非接地状態として前記電動車いすの旋回中心を前記手動用の車輪間の中点から前記従動輪間の中点に変更すると共に、前記制御部は、前記操作部から出力された信号を前記従動輪間の中点における前記電動車いすの直進速度Ｖ２の指令値及び旋回速度Ω２の指令値として入力し、前記式（１）を下記式（５）に切り替え、下記式（５）に基づいて前記電動車いすの進行方向を変更することを特徴とする、電動車いす。
【数５】
2014073354.tif 000025
（ここで、ｒは前記駆動輪の半径、ｓは前記離間距離である。また、２つの前記従動輪の回転軸心線をＹ２軸、該Ｙ２軸上の２つの前記従動輪間の中点を原点として該Ｙ２軸に垂直な仮想直線をＸ２軸とした第２の車いす座標系を水平面内に設定したとき、φ２はＸ２軸（前記車いすの直進方向）に対する前記従動輪の進行方向のなす角度、ｘ２、ｙ２は車いす座標系における前記旋回軸心の位置であり、ｘ２は０でない。）
【請求項５】
電気モータによって駆動輪を駆動軸心の周りに回転することで移動し、かつ、電気モータによって該駆動輪を旋回軸心の周りに回転することで該駆動輪の移動方向を変更する、同一回転軸心線上に２つの手動用の車輪を有する電動車いすの制御方法であって、
前記電動車いすの直進速度Ｖの指令値及び旋回速度Ωの指令値から、下記式（１）に基づいて前記駆動軸心における第１の角速度ωｗ及び前記旋回軸心における第２の角速度ωｓを算出し、
前記駆動輪を前記第１の角速度ωｗで前記駆動軸心の周りに回転し、
前記駆動輪を前記第２の角速度ωｓで前記旋回軸心の周りに回転することを特徴とする、電動車いすの制御方法。
【数１】
2014073354.tif 000026
（ここで、ｒは前記駆動輪の半径、ｓは前記旋回軸心と前記駆動軸心の離間距離である。また、２つの前記手動用の車輪の回転軸心線をＹ軸、該Ｙ軸上の２つの前記手動用の車輪間の中点を原点として該Ｙ軸に垂直な仮想直線をＸ軸とした車いす座標系を水平面内に設定したとき、φはＸ軸（前記車いすの直進方向）に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度、ｘ、ｙは車いす座標系における前記旋回軸心の位置であり、ｘは０でない。）
【請求項６】
請求項５において、
前記電動車いすは、２つの従動輪と、前記従動輪の旋回動作を拘束する拘束機構と、前
記手動用の車輪を接地状態と非接地状態とに変更するアクチュエータと、をさらに有し、
前記従動輪を前記電動車いすの直進方向に向け、かつ、２つの前記従動輪を同一回転軸心線上に位置した状態で、前記拘束機構を駆動して前記従動輪の旋回動作を拘束し、
前記アクチュエータを駆動して前記手動用の車輪を非接地状態として前記電動車いすの旋回中心を前記手動用の車輪間の中点から前記従動輪間の中点に変更すると共に、前記従動輪間の中点における前記電動車いすの直進速度Ｖ２の指令値及び旋回速度Ω２の指令値から、下記式（５）に基づいて前記電動車いすの進行方向を変更することを特徴とする、電動車いす。
【数５】
2014073354.tif 000027
（ここで、ｒは前記駆動輪の半径、ｓは前記離間距離である。また、２つの前記従動輪の回転軸心線をＹ２軸、該Ｙ２軸上の２つの前記従動輪間の中点を原点として該Ｙ２軸に垂直な仮想直線をＸ２軸とした第２の車いす座標系を水平面内に設定したとき、φ２はＸ２軸（前記車いすの直進方向）に対する前記従動輪の進行方向のなす角度、ｘ２、ｙ２は車いす座標系における前記旋回軸心の位置であり、ｘ２は０でない。）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全方向移動機構を用いた手動車両の電動化ユニット及び手動車両の電動化ユニットの制御方法並びに電動車いす及び電動車いすの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今の高齢化社会への変化に伴い、移動支援装置の需要はますます増加すると予想されている。特に、電動車いすは、これまでのように障害者のみならず、高齢者もユーザーとして含まれてきており、そのニーズが拡大、多様化してきている。代表的なものとしてハンドル型電動車いす（いわゆるシニアカー）やジョイスティック型電動車いすなどが挙げられる。これらの電動車いすは、手動車いすに比べて小径の４つの車輪を有し、その内の２つの車輪を電気モータによる駆動輪としている。一般に電動車いすは、装置自体の重量が大きいため、自走以外の方法での運搬が容易ではない。
【０００３】
一方、電動で移動可能でありながら、比較的軽量で、運搬に便利である種類の車いすが最近注目され、その市場も拡大してきている。このような車いすは、手動車いすをベースとして、電動化ユニットを装着したタイプのもので、簡易電動車いすと呼ばれる（例えば、特許文献１〜特許文献５参照）。
【０００４】
簡易電動車いすの長所は、電動車いすとして設計、製造されたものより軽量・簡便であり、総合的に安価になる場合が多いことである。また、電動車いすのように座いすの下に大型の蓄電池を積んでおらず、モータも小型化されているので従来の手動車いす同様折りたたみが可能となっている。このため、車いすを自動車の屋根上に積載するシステムを用いることで、障害者自身でも楽に車いすを自動車に積み込むことが可能である。
【０００５】
簡易電動車いすは、大容量の蓄電池を搭載していないので、一充電あたりの移動距離は、電動車いすに比較して短い。しかしながら、手動車いすの構造を基本としていることから、電動での移動ができない場合には、手こぎによる移動が可能であるということも大きな特徴である。
【０００６】
市販されている簡易電動車いすの多くは、手動車いすの駆動輪（ハンドトリムのついた大径の車輪）をモータが付属する電動車輪ユニットに交換するものが主流である（例えば、非特許文献１、２参照）。このような簡易電動車いすは、両輪に取り付けられた２つの電気モータを制御する際、負荷の片寄りやモータ特性の微妙な差異が車いすの直進性などの挙動に影響するために、調整や制御などに潜在的な困難さを含んでいると考えられる。また、車輪径が大きいために、電動ユニットのモータは低速・高トルクに対応するために、大型化する傾向にある。
【０００７】
このような電動車いす又は簡易電動車いすの車輪は、通常４輪あり、前後２輪ずつの構成となっている。簡易電動車いすの駆動方式は、後輪の大車輪を電気モータで駆動する後輪駆動タイプが主流であり、基本的には手動のときと同様な旋回動作を行うことになる。このような後輪駆動タイプにあっては、後輪の駆動輪に直接モータの動力を伝達することから、大きな加速度で加速したりする場合に、車いすのフレームに前輪が浮き上がる方向に回転させる反作用が働き、操縦者の意図に反して、いわゆるウイリーの状態になったり、後方へ転倒する危険性がある。特に登坂する場合などにはその現象が起こりやすくなることから、後輪駆動タイプでは運動の加速度に厳しい制限を設ける必要があり、機敏な動作の妨げになることもあった。一方、電動車いすの駆動方式は、前輪の２輪を電気モータ
で駆動する前輪駆動タイプと、その逆の後輪駆動タイプの２種類がある。いずれの駆動方式であっても、基本的には、駆動輪は旋回せず、非駆動車輪は旋回自在ないわゆるキャスタが用いられている。そして、車いすの旋回中心は、これらの２つの駆動輪の中点が旋回中心になり、これは車いすの駆動構造に固有であり、変更することができない。
【０００８】
また、ひとつの車輪で任意の方向に発生した駆動力で移動できる全方向移動機構であるアクティブキャスタが提案されている（例えば、非特許文献３，４，５及び特許文献６，７）。このようなアクティブキャスタは受動的に動作するキャスタと同様な車輪配置（つまり旋回軸と車輪軸が交差しない）を有し、車輪軸と旋回軸（操舵軸）をそれぞれ独立したアクチュエータで駆動することで、移動体の駆動輪として用いることのできる車輪機構である。車輪軸と旋回軸の回転を協調制御することで、水平面内のあらゆる方向への速度ベクトルを旋回軸中心に発生させることが可能である。よって、車輪の向きによらず、様々な方向に即座に移動ができることから、一輪であっても非常に柔軟な動きが生成できるという特徴がある。しかしながら、手動車いすのように進行方向に直交する方向には移動できない車両の車輪を全て全方向移動機構に交換して全方向移動可能な車いすにする発想（例えば、特許文献８参照）はあっても、全方向移動機構を使った簡易電動車いすによって手動車いすと同じ動作をさせるという発想がなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平９−１２２１８４号公報
【特許文献２】特開２００３−１９１６５号公報
【特許文献３】特開２００９−２８４９４４号公報
【特許文献４】特開２０１１−１１０４０４号公報
【特許文献５】特開２００９−２７９１１８号公報
【特許文献６】特開平９−１６４９６８号公報
【特許文献７】特開２００１-１９９３５６号公報
【特許文献８】特開２０００−１７５９６９号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】株式会社今仙技術研究所ホームページ、手動兼用型（車いす電動化ユニット）ＤＰ−４５／６０デイリーパル、［平成２４年８月３０日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｍａｓｅｎｇｉｋｅｎ．ｃｏ．ｊｐ／ｅｍｃ／ｄａｉｌｙｐａｌ．ｈｔｍｌ＞
【非特許文献２】ヤマハ発動機株式会社ホームページ、車イス電動ユニットＪＷＸ−１、［平成２４年８月３０日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｙａｍａｈａ−ｍｏｔｏｒ．ｊｐ／ｗｈｅｅｌｃｈａｉｒ／ｕｎｉｔ／ｊｗｘ１／＞
【非特許文献３】Ｍ．Ｗａｄａ  ａｎｄ  Ｓ．Ｍｏｒｉ，“Ｈｏｌｏｎｏｍｉｃ  ａｎｄ  Ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  Ｖｅｈｉｃｌｅ  ｗｉｔｈ  Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ  Ｔｉｒｅｓ，”Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  １９９６  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ（ＩＣＲＡ９６），ｐｐ３６７１−３６７６，１９９６
【非特許文献４】Ｍ．Ｗａｄａ  ，  Ａ．Ｔａｋａｇｉ  ａｎｄ  Ｓ．Ｍｏｒｉ，“Ｃａｓｔｅｒ  Ｄｒｉｖｅ  Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ  ｆｏｒ  Ｈｏｌｏｎｏｍｉｃ  ａｎｄ  Ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  Ｍｏｂｉｌｅ  Ｐｌａｔｆｏｒｍｓ  ｗｉｔｈ  ｎｏ  Ｏｖｅｒ  Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ，” Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ２０００  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ（ＩＣＲＡ２０００），ｐｐ１５３１−１５３８，２０００
【非特許文献５】和田正義、外２名、「球形動力伝達機構を用いたアクティブキャスタに関する研究」、Ｎｏ．１２−２  ロボティクスシンポジア  講演論文集、一般社団法人  日本機械学会、平成２４年３月１３日、第１８１ページから第１８６ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、アクティブキャスタを用いた手動車両の電動化ユニット及び手動車両の電動化ユニットの制御方法並びに電動車いす及び電動車いす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】
【００１２】
本発明に係る手動車両の電動化ユニットは、
同一回転軸心線上に配置された２つの車輪を少なくとも有する手動車両に取り付け可能な本体部と、
前記本体部に対して旋回軸心の周りに回転可能に取り付けられた脚部と、
前記旋回軸心に対して所定の離間距離を隔てて配置された駆動軸心を有し、前記脚部に対し該駆動軸心の周りに回転自在に取り付けられた駆動輪と、
前記駆動輪を前記脚部に対して回転させる第１の電気モータと、
前記脚部を前記本体部に対して回転させる第２の電気モータと、
前記手動車両の走行を操作する操作部と、
前記操作部の操作によって出力された信号に基づいて前記第１の電気モータと前記第２の電気モータとを駆動させる制御部と、
を有し、
前記制御部は、電動化ユニットを前記手動車両に取り付けた際に、前記操作部から出力された信号を前記手動車両の直進速度Ｖの指令値及び旋回速度Ωの指令値として入力し、下記式（１）に基づいて前記駆動輪の前記駆動軸心における第１の角速度ωｗ及び前記脚部の前記旋回軸心における第２の角速度ωｓを算出し、前記第１の角速度ωｗを出力して前記第１の電気モータを駆動し、前記第２の角速度ωｓを出力して前記第２の電気モータを駆動することを特徴とする。
【００１３】
【数１】
2014073354.tif 000003
（ここで、ｒは前記駆動輪の半径、ｓは前記離間距離である。また、２つの前記車輪の回転軸心線をＹ軸、該Ｙ軸上の２つの前記車輪間の中点を原点として該Ｙ軸に垂直な仮想直線をＸ軸とした手動車両座標系を水平面内に設定したとき、φはＸ軸（前記手動車両の直進方向）に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度、ｘ、ｙは手動車両座標系における前記旋回軸心の位置であり、ｘは０でない。）
【００１４】
本発明に係る手動車両の電動化ユニットによれば、手動車両に全方向移動機構を含む電動化ユニットを組込むことによって、手動車両と同じ動作を電気モータによって生成することができる。そのため、従来の手動車両の利用者であっても、違和感なく本発明に係る電動化ユニットが取り付けられた手動車両を電動で操作することができる。
【００１５】
本発明に係る手動車両の電動化ユニットの制御方法は、
電気モータによって駆動輪を駆動軸心の周りに回転することで移動し、かつ、電気モー
タによって該駆動輪を旋回軸心の周りに回転することで該駆動輪の移動方向を変更する電動化ユニットを、同一回転軸心線上に配置された２つの車輪を少なくとも有する手動車両に取り付けた際に、
前記手動車両の直進速度Ｖの指令値及び旋回速度Ωの指令値から、下記式（１）に基づいて前記駆動軸心における第１の角速度ωｗ及び前記旋回軸心における第２の角速度ωｓを算出し、
前記駆動輪を前記第１の角速度ωｗで前記駆動軸心の周りに回転し、
前記駆動輪を前記第２の角速度ωｓで前記旋回軸心の周りに回転することを特徴とする。
【００１６】
【数１】
2014073354.tif 000004
（ここで、ｒは前記駆動輪の半径、ｓは前記旋回軸心と前記駆動軸心の離間距離である。また、２つの前記車輪の回転軸心線をＹ軸、該Ｙ軸上の２つの前記車輪間の中点を原点として該Ｙ軸に垂直な仮想直線をＸ軸とした手動車両座標系を水平面内に設定したとき、φはＸ軸（前記手動車両の直進方向）に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度、ｘ、ｙは手動車両座標系における前記旋回軸心の位置であり、ｘは０でない。）
【００１７】
本発明に係る手動車両の電動化ユニットの制御方法によれば、手動車両に全方向移動機構を含む電動化ユニットを組込むことによって、手動車両と同じ動作を電気モータによって生成することができる。そのため、従来の手動車両の利用者であっても、違和感なく本発明に係る電動化ユニットが取り付けられた手動車両を電動で操作することができる。
【００１８】
本発明に係る電動車いすは、
座部と、
前記座部を固定するフレームと、
前記座部を挟んで前記フレームに同一回転軸心線上で回転自在に取り付けられた２つの手動用の車輪と、
前記フレームに取り付けられた本体部と、
前記本体部に対して旋回軸心の周りに回転可能な脚部と、
前記旋回軸心に対して所定の離間距離を隔てて配置された駆動軸心を有し、前記脚部に対し該駆動軸心の周りに回転自在に配置された駆動輪と、
前記駆動輪を前記脚部に対して回転させる第１の電気モータと、
前記脚部を前記本体部に対して回転させる第２の電気モータと、
走行を操作する操作部と、
前記操作部の操作によって出力された信号に基づいて前記第１の電気モータと前記第２の電気モータとを駆動させる制御部と、
を有する電動車いすであって、
前記制御部は、前記操作部から出力された信号を前記電動車いすの直進速度Ｖの指令値及び旋回速度Ωの指令値として入力し、下記式（１）に基づいて前記駆動輪の前記駆動軸心における第１の角速度ωｗ及び前記脚部の前記旋回軸心における第２の角速度ωｓを算出し、前記第１の角速度ωｗを出力して前記第１の電気モータを駆動して前記駆動輪を回転し、前記第２の角速度ωｓを出力して前記第２の電気モータを駆動して前記電動車いすの進行方向を変更することを特徴とする。
【００１９】
【数１】
2014073354.tif 000005
（ここで、ｒは前記駆動輪の半径、ｓは前記離間距離である。また、２つの前記手動用の車輪の回転軸心線をＹ軸、該Ｙ軸上の２つの前記手動用の車輪間の中点を原点として該Ｙ軸に垂直な仮想直線をＸ軸とした車いす座標系を水平面内に設定したとき、φはＸ軸（前記車いすの直進方向）に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度、ｘ、ｙは車いす座標系における前記旋回軸心の位置であり、ｘは０でない。）
【００２０】
本発明に係る電動車いすによれば、全方向移動機構を含むことによって、手動車いすと同じ動作を電気モータによって生成することができる。そのため、従来の手動車いすの利用者であっても、違和感なく本発明に係る電動車いすを電動で操作することができる。また、手動用の車輪の回転軸線上に駆動輪の旋回軸心がない（式（１）において、ｘは０でない。）ため、特に加速時における電動車いすの優れた姿勢安定性を得ることができる。
【００２１】
本発明に係る電動車いすにおいて、
前記フレームに支持される２つの従動輪と、
前記従動輪の旋回動作を拘束する拘束機構と、
前記フレームを前記本体部に対して相対的に移動させ、前記手動用の車輪を接地状態と非接地状態とに変更するアクチュエータと、
をさらに有し、
前記従動輪を前記電動車いすの直進方向に向け、かつ、２つの前記従動輪を同一回転軸心線上に位置した状態で、前記拘束機構を駆動して前記従動輪の旋回動作を拘束し、
前記アクチュエータを駆動して前記手動用の車輪を非接地状態として前記電動車いすの旋回中心を前記手動用の車輪間の中点から前記従動輪間の中点に変更すると共に、前記制御部は、前記操作部から出力された信号を前記従動輪間の中点における前記電動車いすの直進速度Ｖ２の指令値及び旋回速度Ω２の指令値として入力し、前記式（１）を下記式（５）に切り替え、下記式（５）に基づいて前記電動車いすの進行方向を変更することができる。
【００２２】
【数５】
2014073354.tif 000006
（ここで、ｒは前記駆動輪の半径、ｓは前記離間距離である。また、２つの前記従動輪の回転軸心線をＹ２軸、該Ｙ２軸上の２つの前記従動輪間の中点を原点として該Ｙ２軸に垂直な仮想直線をＸ２軸とした第２の車いす座標系を水平面内に設定したとき、φ２はＸ２軸（前記車いすの直進方向）に対する前記従動輪の進行方向のなす角度、ｘ２、ｙ２は車いす座標系における前記旋回軸心の位置であり、ｘ２は０でない。）
【００２３】
本発明に係る電動車いすの制御方法は、
電気モータによって駆動輪を駆動軸心の周りに回転することで移動し、かつ、電気モータによって該駆動輪を旋回軸心の周りに回転することで該駆動輪の移動方向を変更する、同一回転軸心線上に２つの手動用の車輪を有する電動車いすの制御方法であって、
前記電動車いすの直進速度Ｖの指令値及び旋回速度Ωの指令値から、下記式（１）に基づいて前記駆動軸心における第１の角速度ωｗ及び前記旋回軸心における第２の角速度ωｓを算出し、
前記駆動輪を前記第１の角速度ωｗで前記駆動軸心の周りに回転し、
前記駆動輪を前記第２の角速度ωｓで前記旋回軸心の周りに回転することを特徴とする。
【００２４】
【数１】
2014073354.tif 000007
（ここで、ｒは前記駆動輪の半径、ｓは前記旋回軸心と前記駆動軸心の離間距離である。また、２つの前記手動用の車輪の回転軸心線をＹ軸、該Ｙ軸上の２つの前記手動用の車輪間の中点を原点として該Ｙ軸に垂直な仮想直線をＸ軸とした車いす座標系を水平面内に設定したとき、φはＸ軸（前記車いすの直進方向）に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度、ｘ、ｙは車いす座標系における前記旋回軸心の位置であり、ｘは０でない。）
【００２５】
本発明に係る電動車いすの制御方法によれば、全方向移動機構を含むことによって、手動車いすと同じ動作を電気モータによって生成することができる。そのため、従来の手動車いすの利用者であっても、違和感なく本発明に係る電動車いすを電動で操作することができる。また、手動用の車輪の回転軸線上に駆動輪の旋回軸心がない（式（１）において、ｘは０でない。）ため、特に加速時における電動車いすの優れた姿勢安定性を得ることができる。
【００２６】
本発明に係る電動車いすの制御方法において、
前記電動車いすは、２つの従動輪と、前記従動輪の旋回動作を拘束する拘束機構と、前記手動用の車輪を接地状態と非接地状態とに変更するアクチュエータと、をさらに有し、
前記従動輪を前記電動車いすの直進方向に向け、かつ、２つの前記従動輪を同一回転軸心線上に位置した状態で、前記拘束機構を駆動して前記従動輪の旋回動作を拘束し、
前記アクチュエータを駆動して前記手動用の車輪を非接地状態として前記電動車いすの旋回中心を前記手動用の車輪間の中点から前記従動輪間の中点に変更すると共に、前記従動輪間の中点における前記電動車いすの直進速度Ｖ２の指令値及び旋回速度Ω２の指令値から、下記式（５）に基づいて前記電動車いすの進行方向を変更することができる。
【００２７】
【数５】
2014073354.tif 000008
（ここで、ｒは前記駆動輪の半径、ｓは前記離間距離である。また、２つの前記従動輪の回転軸心線をＹ２軸、該Ｙ２軸上の２つの前記従動輪間の中点を原点として該Ｙ２軸に垂
直な仮想直線をＸ２軸とした第２の車いす座標系を水平面内に設定したとき、φ２はＸ２軸（前記車いすの直進方向）に対する前記従動輪の進行方向のなす角度、ｘ２、ｙ２は車いす座標系における前記旋回軸心の位置であり、ｘ２は０でない。）
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】電動化ユニットに用いる全方向移動機構を模式的に示す縦断面図である。
【図２】電動化ユニットに用いる全方向移動機構を模式的に示す縦断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る電動車いすの側面図である。
【図４】第１の実施形態に係る電動車いすを模式的に示す概略平面図である。
【図５】電動化ユニットを説明するためのブロック図である。
【図６】第２の実施形態に係る電動車いすの全方向移動機構の一部を模式的に示す横断面図である。
【図７】第２の実施形態に係る電動車いすを模式的に示す概略平面図である。
【図８】第３の実施形態に係る電動車いすを模式的に示す概略側面図である。
【図９】第４の実施形態に係る電動車いすを模式的に示す概略側面図である。
【図１０】実施例１に係る電動車いすの写真である。
【図１１】実施例１に係る電動車いすの直進動作試験測定結果である。
【図１２】実施例１に係る電動車いすの旋回動作試験測定結果である。
【図１３】従来の車いすを模式的に示す概略平面図である。
【図１４】第５の実施形態に係る電動車いすを模式的に示す概略平面図である。
【図１５】第５の実施形態に係る電動車いすを模式的に示す概略平面図である。
【図１６】第５の実施形態に係る電動車いすを模式的に示す概略側面図である。
【図１７】第５の実施形態に係る電動車いすの電動化ユニットに用いる全方向移動機構を模式的に示す背面図である。
【図１８】第５の実施形態に係る電動車いすの旋回動作シミュレーション結果を示す図である。
【図１９】第５の実施形態に係る電動車いすの旋回動作シミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の一実施形態にかかる電動車いす及び電動車いすの制御方法並びに手動車両の電動化ユニット及び手動車両の電動化ユニットの制御方法について図面を用いて説明する。なお、以下に説明するものは本発明にかかる電動車いす及び電動車いすの制御方法並びに手動車両の電動化ユニット及び手動車両の電動化ユニットの制御方法の実施形態の一例であり、本発明はこれに限定されるものではなく、当業者であれば特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇で各種の変更が可能である。なお、本願において、水平とは車両が移動する床面に平行な面内にある方向であり、鉛直とはその床面に対して垂直な方向である。
【００３０】
本発明の一実施の形態に係る手動車両の電動化ユニットは、同一回転軸心線上に配置された２つの車輪を少なくとも有する手動車両に取り付け可能な本体部と、前記本体部に対して旋回軸心の周りに回転可能に取り付けられた脚部と、前記旋回軸心に対して所定の離間距離を隔てて配置された駆動軸心を有し、前記脚部に対し該駆動軸心の周りに回転自在に取り付けられた駆動輪と、前記駆動輪を前記脚部に対して回転させる第１の電気モータと、前記脚部を前記本体部に対して回転させる第２の電気モータと、前記手動車両の走行を操作する操作部と、前記操作部の操作によって出力された信号に基づいて前記第１の電気モータと前記第２の電気モータとを駆動させる制御部と、を有し、前記制御部は、電動化ユニットを前記手動車両に取り付けた際に、前記操作部から出力された信号を前記手動車両の直進速度Ｖの指令値及び旋回速度Ωの指令値として入力し、下記式（１）に基づいて前記駆動輪の前記駆動軸心における第１の角速度ωｗ及び前記脚部の前記旋回軸心にお
ける第２の角速度ωｓを算出し、前記第１の角速度ωｗを出力して前記第１の電気モータを駆動し、前記第２の角速度ωｓを出力して前記第２の電気モータを駆動することを特徴とする。
【００３１】
【数１】
2014073354.tif 000009
（ここで、ｒは前記駆動輪の半径、ｓは前記離間距離である。また、２つの前記車輪の回転軸心線をＹ軸、該Ｙ軸上の２つの前記車輪間の中点を原点として該Ｙ軸に垂直な仮想直線をＸ軸とした手動車両座標系を水平面内に設定したとき、φはＸ軸（前記手動車両の直進方向）に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度、ｘ、ｙは手動車両座標系における前記旋回軸心の位置であり、ｘは０でない。）
【００３２】
本発明の一実施の形態に係る手動車両の電動化ユニットの制御方法は、電気モータによって駆動輪を駆動軸心の周りに回転することで移動し、かつ、電気モータによって該駆動輪を旋回軸心の周りに回転することで該駆動輪の移動方向を変更する電動化ユニットを、同一回転軸心線上に配置された２つの車輪を少なくとも有する手動車両に取り付けた際に、前記手動車両の直進速度Ｖの指令値及び旋回速度Ωの指令値から、下記式（１）に基づいて前記駆動軸心における第１の角速度ωｗ及び前記旋回軸心における第２の角速度ωｓを算出し、前記駆動輪を前記第１の角速度ωｗで前記駆動軸心の周りに回転し、前記駆動輪を前記第２の角速度ωｓで前記旋回軸心の周りに回転することを特徴とする。
【００３３】
【数１】
2014073354.tif 000010
（ここで、ｒは前記駆動輪の半径、ｓは前記旋回軸心と前記駆動軸心の離間距離である。また、２つの前記車輪の回転軸心線をＹ軸、該Ｙ軸上の２つの前記車輪間の中点を原点として該Ｙ軸に垂直な仮想直線をＸ軸とした手動車両座標系を水平面内に設定したとき、φはＸ軸（前記手動車両の直進方向）に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度、ｘ、ｙは手動車両座標系における前記旋回軸心の位置であり、ｘは０でない。）
【００３４】
本発明の一実施の形態に係る電動車いすは、座部と、前記座部を固定するフレームと、前記座部を挟んで前記フレームに同一回転軸心線上で回転自在に取り付けられた２つの手動用の車輪と、前記フレームに取り付けられた本体部と、前記本体部に対して旋回軸心の周りに回転可能な脚部と、前記旋回軸心に対して所定の離間距離を隔てて配置された駆動軸心を有し、前記脚部に対し該駆動軸心の周りに回転自在に配置された駆動輪と、前記駆動輪を前記脚部に対して回転させる第１の電気モータと、走行を操作する操作部と、前記脚部を前記本体部に対して回転させる第２の電気モータと、前記操作部の操作によって出力された信号に基づいて前記第１の電気モータと前記第２の電気モータとを駆動させる制御部と、を有する電動車いすであって、前記制御部は、前記操作部から出力された信号を
前記電動車いすの直進速度Ｖの指令値及び旋回速度Ωの指令値として入力し、下記式（１）に基づいて前記駆動輪の前記駆動軸心における第１の角速度ωｗ及び前記脚部の前記旋回軸心における第２の角速度ωｓを算出し、前記第１の角速度ωｗを出力して前記第１の電気モータを駆動して前記駆動輪を回転し、前記第２の角速度ωｓを出力して前記第２の電気モータを駆動して前記電動車いすの進行方向を変更することを特徴とする。
【００３５】
【数１】
2014073354.tif 000011
（ここで、ｒは前記駆動輪の半径、ｓは前記離間距離である。また、２つの前記手動用の車輪の回転軸心線をＹ軸、該Ｙ軸上の２つの前記手動用の車輪間の中点を原点として該Ｙ軸に垂直な仮想直線をＸ軸とした車いす座標系を水平面内に設定したとき、φはＸ軸（前記車いすの直進方向）に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度、ｘ、ｙは車いす座標系における前記旋回軸心の位置であり、ｘは０でない。）
【００３６】
本発明の一実施の形態に係る電動車いすにおいて、前記フレームに支持される２つの従動輪と、前記従動輪の旋回動作を拘束する拘束機構と、前記フレームを前記本体部に対して相対的に移動させ、前記手動用の車輪を接地状態と非接地状態とに変更するアクチュエータと、をさらに有し、前記従動輪を前記電動車いすの直進方向に向け、かつ、２つの前記従動輪を同一回転軸心線上に位置した状態で、前記拘束機構を駆動して前記従動輪の旋回動作を拘束し、前記アクチュエータを駆動して前記手動用の車輪を非接地状態として前記電動車いすの旋回中心を前記手動用の車輪間の中点から前記従動輪間の中点に変更すると共に、前記制御部は、前記操作部から出力された信号を前記従動輪間の中点における前記電動車いすの直進速度Ｖ２の指令値及び旋回速度Ω２の指令値として入力し、前記式（１）を下記式（５）に切り替え、下記式（５）に基づいて前記電動車いすの進行方向を変更することができる。
【００３７】
【数５】
2014073354.tif 000012
（ここで、ｒは前記駆動輪の半径、ｓは前記離間距離である。また、２つの前記従動輪の回転軸心線をＹ２軸、該Ｙ２軸上の２つの前記従動輪間の中点を原点として該Ｙ２軸に垂直な仮想直線をＸ２軸とした第２の車いす座標系を水平面内に設定したとき、φ２はＸ２軸（前記車いすの直進方向）に対する前記従動輪の進行方向のなす角度、ｘ２、ｙ２は車いす座標系における前記旋回軸心の位置であり、ｘ２は０でない。）
【００３８】
本発明の一実施の形態に係る電動車いすの制御方法は、電気モータによって駆動輪を駆動軸心の周りに回転することで移動し、かつ、電気モータによって該駆動輪を旋回軸心の周りに回転することで該駆動輪の移動方向を変更する、同一回転軸心線上に２つの手動用の車輪を有する電動車いすの制御方法であって、前記電動車いすの直進速度Ｖの指令値及び旋回速度Ωの指令値から、下記式（１）に基づいて前記駆動軸心における第１の角速度
ωｗ及び前記旋回軸心における第２の角速度ωｓを算出し、前記駆動輪を前記第１の角速度ωｗで前記駆動軸心の周りに回転し、前記駆動輪を前記第２の角速度ωｓで前記旋回軸心の周りに回転することを特徴とする。
【００３９】
【数１】
2014073354.tif 000013
（ここで、ｒは前記駆動輪の半径、ｓは前記旋回軸心と前記駆動軸心の離間距離である。また、２つの前記車輪の回転軸心線をＹ軸、該Ｙ軸上の２つの前記車輪間の中点を原点として該Ｙ軸に垂直な仮想直線をＸ軸とした車いす座標系を水平面内に設定したとき、φはＸ軸（前記車いすの直進方向）に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度、ｘ、ｙは車いす座標系における前記旋回軸心の位置であり、ｘは０でない。）
【００４０】
本発明の一実施の形態に係る電動車いすの制御方法において、前記電動車いすは、２つの従動輪と、前記従動輪の旋回動作を拘束する拘束機構と、前記手動用の車輪を接地状態と非接地状態とに変更するアクチュエータと、をさらに有し、前記従動輪を前記電動車いすの直進方向に向け、かつ、２つの前記従動輪を同一回転軸心線上に位置した状態で、前記拘束機構を駆動して前記従動輪の旋回動作を拘束し、前記アクチュエータを駆動して前記手動用の車輪を非接地状態として前記電動車いすの旋回中心を前記手動用の車輪間の中点から前記従動輪間の中点に変更すると共に、前記従動輪間の中点における前記電動車いすの直進速度Ｖ２の指令値及び旋回速度Ω２の指令値から、下記式（５）に基づいて前記電動車いすの進行方向を変更することができる。
【００４１】
【数５】
2014073354.tif 000014
（ここで、ｒは前記駆動輪の半径、ｓは前記離間距離である。また、２つの前記従動輪の回転軸心線をＹ２軸、該Ｙ２軸上の２つの前記従動輪間の中点を原点として該Ｙ２軸に垂直な仮想直線をＸ２軸とした第２の車いす座標系を水平面内に設定したとき、φ２はＸ２軸（前記車いすの直進方向）に対する前記従動輪の進行方向のなす角度、ｘ２、ｙ２は車いす座標系における前記旋回軸心の位置であり、ｘ２は０でない。）
【００４２】
１．全方向移動機構
まず、本発明に用いることができる全方向移動機構（アクティブキャスタとも呼ばれる）の概要について説明する。なお、全方向移動機構は公知の構造を採用することができ、ここで説明する全方向移動機構はその一例に過ぎない。図１は、電動化ユニットに用いる全方向移動機構を模式的に示す縦断面図である。図２は、電動化ユニットに用いる全方向移動機構を模式的に示す縦断面図である。ここで、図１は全方向移動機構の駆動輪２１を正面（進行方向）からみた縦断面図であり、図２は全方向移動機構の駆動輪２１を側面からみた縦断面図である。
【００４３】
本発明で用いることができる全方向移動機構（アクティブキャスタ）は、受動的に動作するキャスタ（事務用いすに用いられるようなキャスタ）と同様な車輪配置であり、すなわち、旋回軸と車輪軸が交差しない車輪配置を有することができる。このような全方向移動機構は、例えば、キャスタの車輪軸と旋回軸（操舵軸）をそれぞれ独立したアクチュエータで駆動することで、移動体の駆動輪として用いることのできる車輪機構である。全方向移動機構は、車輪軸と操舵軸の回転を協調制御することで、水平面内のあらゆる方向への速度ベクトルを操舵軸中心に発生させることが可能である。よって、車輪の向きによらず、様々な方向に即座に移動ができることから、一輪であっても非常に柔軟な動きが生成できるという特徴がある。本発明は、この特徴を生かして、駆動輪２１の一輪による電動化ユニット２を実現することができる。
【００４４】
駆動輪２１は、操舵輪をかねており、駆動輪２１を支持固定する車軸２２により、操舵軸である駆動軸心Ｑの周りに脚部２３に対し回転自在に支持されている。なお、駆動輪２１には、空気圧式タイヤを装着することができる。車軸２２は減速機２４を介して、電気モータである第１の電気モータ２５に接続されている。第１の電気モータ２５の他端にはエンコーダ２６が接続されて駆動輪２１の回転角度が検出される。第１の電気モータ２５を駆動することによって、駆動輪２１は駆動軸心Ｑの周りに回転し、駆動輪２１の転がり方向（図１であれば図の正面方向または背面方向、図２であれば図の左右方向）に本体部２７を移動することができる。
【００４５】
また、脚部２３は、その上端が、本体部２７に軸受け２８を介して鉛直方向に延びる旋回軸心Ｒの周りに回動自在にして支持されている。ここで軸受け２８の中心、すなわち脚部２３の旋回軸心Ｒは、駆動輪２１の接地位置から水平方向に所定の離間距離ｓだけオフセットされた位置とされている。この離間距離ｓは、旋回軸心Ｒと駆動軸心Ｑとの離間距離ｓである。より詳細には、離間距離ｓは、駆動軸心Ｑを含む接地面から鉛直方向に延びる仮想平面と旋回軸心Ｒとの最短距離である。例えば、図１に示すように、旋回軸心Ｒを下方に延伸する仮想の旋回軸心線は駆動輪２１の幅の中心を通る位置に設定することができる。これは、平面図（例えば図６を参照することができる）における駆動輪２１の幅の中心線の延長線上に旋回軸心Ｒが重なることを示す。
【００４６】
脚部２３の上面には旋回軸心Ｒと同軸上に歯車２９が取付けられて、本体部２７に支持されている歯車３１と噛合接続される。歯車３１は、電気モータである第２の電気モータ３２の出力軸３３に支持固定されている。第２の電気モータ３２の他端にはエンコーダ３４が接続されて脚部２３の回転角度すなわち操舵角度が検出される。第２の電気モータ３２を駆動することによって、脚部２３が旋回軸心Ｒを中心に回転し、旋回軸心Ｒと離間距離ｓだけオフセットされた位置にある駆動輪２１を半径ｓの円弧上に旋回させることができる。
【００４７】
このように、第１の電気モータ２５で駆動輪２１を回転駆動するとともに第２の電気モータ３２で操舵することで、本体部２７は前後、左右および旋回が可能であり、この全方向移動機構だけであれば全方向に瞬時に方向転換して移動することが可能である。
【００４８】
２．第１の実施形態
図３は、第１の実施形態に係る電動車いす１００の側面図である。図４は、第１の実施形態に係る電動車いす１００を模式的に示す概略平面図である。図５は、電動化ユニット２を説明するためのブロック図である。
【００４９】
図３、図４に示すように、電動車いす１００は、同一回転軸心線上に配置された２つの車輪を少なくとも有する手動車両の一例である手動車いす１と、手動車いす１に取り付けられた電動化ユニット２と、を含む。電動化ユニット２を市販の手動車いす１に取り付け
ていわゆる簡易電動車いすとすることができ、手動車いす１と電動化ユニット２をあらかじめ一体化した電動車いすとすることもできる。また、手動車いす１と電動化ユニット２との接続部分を容易に着脱可能な構造とすることもできる。
【００５０】
手動車いす１は、座部１６ａと、座部１６ａを固定するフレーム１２と、座部１６ａを挟んでフレーム１２に同一の回転軸心線Ｐ’上で回転自在に取り付けられた２つの手動用の車輪１３と、を含む。より詳細には、手動車いす１は、折り畳み可能な手動車いすであり、左右両側にほぼ対称形状のフレーム１２が配設されている。このフレーム１２は金属製のパイプなどを折り曲げたり、溶接したりすることによって形成されている。このフレーム１２は、手動用の車輪１３を車輪軸心Ｐを中心に回動自在に支持する車輪支持フレーム１２ａと、座部１６ａを支持する座部支持フレーム１２ｂと、を有する。車輪軸心Ｐは、同一の仮想線である回転軸心線Ｐ’上にある。フレーム１２は、さらに座部支持フレーム１２ｂの後端から上方に延びる肘掛け支持フレーム１２ｃと、背もたれ部１６ｂを支持する背もたれ部支持フレーム１２ｄと、座部支持フレーム１２ｂの下方でほぼ平行に配置された下部フレーム１２ｅとを有する。座部支持フレーム１２ｂは更に前方下方へ延出されて、その下端部にステップ１５を支持し、下部フレーム１２ｅは前方下端部にキャスタ１４が支持されている。なお、図３では説明のため、図の手前側の車輪１３を省略して示している。また、ここでは省略しているが、手動用の車輪１３には通常、車いす１を移動・操作するためのハンドトリムが設けられている。
【００５１】
手動車いす１は、車輪径が同じ２つの車輪１３を同じ速度で同じ方向に回転させたとき、直進方向Ｔに前進または後退することができる。通常、手動車いす１を含む手動車両の２つの車輪１３は、車輪径が同じであって、車輪軸心Ｐにおいて進行方向に対して旋回しないが、左右の車輪を異なる回転数で回転させることで手動車いす１を旋回移動することができる。電動車いす１００は、電動化ユニット２を装着することにより、手動車いす１単体のときと同じ動作を実現することができる。なお、車いすが他の手動車両である場合には、同様に車輪径が同じであって、車輪軸心Ｐにおいて進行方向に対して旋回しない２つの車輪を有することができる。
【００５２】
電動化ユニット２は、フレーム１２にフレーム２２０を介して取り付けられた本体部２７と、本体部２７に対して旋回軸心Ｒの周りに回転可能な脚部２３と、旋回軸心Ｒに対して所定の離間距離ｓを隔てて配置された駆動軸心Ｑを有し、脚部２３に対し駆動軸心Ｑの周りに回転自在に配置された駆動輪２１と、駆動輪２１を脚部２３に対して回転させる第１の電気モータ２５と、脚部２３を本体部２７に対して回転させる第２の電気モータ３２と、電動車いす１００の走行を操作する操作部２３０と、操作部２３０の操作によって出力された信号に基づいて第１の電気モータ２５と第２の電気モータ３２とを駆動させる制御部２４０と、を有する。
【００５３】
フレーム２２０は、側面から見てＬ字状に形成され、図４に示すように電動車いす１００の左右に一対設けられ、その上部に本体部２７を架け渡して固定している。なお、図４は、主な構成の配置を説明するためにフレーム１２などの構成を省略して示している。
【００５４】
本体部２７の上部には第１の電気モータ２５と第２の電気モータ３２とが配置され、本体部２７の下部には脚部２３と駆動輪２１が配置されている。図１，２で説明した全方向移動機構とは第１の電気モータ２５と第２の電気モータ３２の配置が違うが、基本的な構成は同じであり、第１の電気モータ２５で駆動輪２１を駆動軸心Ｑのまわりに回転駆動し、第２の電気モータ３２で旋回軸心Ｒのまわりに脚部２３を回転して駆動輪２１を操舵することができる。
【００５５】
操作部２３０は、肘掛け支持フレーム１２ｃの先端に配置することができ、利用者が座
部１６ａに腰かけた状態で操作することができる。操作部２３０は、操作者の操作によって、電動車いす１００の移動方向と移動速度を決定するための信号を出力する。車いす１００の２つの手動用の車輪１３の回転軸心線Ｐ’をＹ軸、該Ｙ軸上の２つの車輪１３間の中点（車輪１３のトレッドの中点）を原点Ｏとして該Ｙ軸に垂直な仮想直線をＸ軸（すなわち車いす１００の直進方向Ｔである）とした車いす座標系を水平面内に設定したとき、操作部２３０におけるＸａ方向とＹａ方向は車いす座標系のＸ軸とＹ軸に平行である。操作者は、操作部２３０の例えばＸａ方向への操作によって電動車いす１００の直進速度Ｖの指令値とすることができ、Ｘａ−Ｙａ座標系における位置操作によって電動車いす１００の旋回速度Ωの指令値とすることができる。なお、手動車いすが他の手動車両である場合には、車いす座標系は手動車両座標系として説明することができる。
【００５６】
操作部２３０は、電動車いす１００の直進速度Ｖの指令値及び旋回速度Ωの指令値となる信号を制御部２４０に出力することができる公知の手段であるトラックボール、ホイール、ジョイスティックなどを採用することができ、特に、電動車いすに一般的に用いられるジョイスティックを採用することができる。ジョイスティックは、利用者の操作によるジョイスティックの傾き方向および傾き度合い（角度）に応じて、それぞれ電動車いすの移動方向および移動速度を決定することができる。例えば、ジョイスティックの前後方向（図４のＸａ方向）の傾斜は電動車いす１００の直進速度Ｖの指令値とすることができ、ジョイスティックの左右方向（図４のＹａ方向）の傾斜は電動車いす１００の旋回速度Ωの指令値とすることができる。
【００５７】
図５に示すように、制御部２４０は、ＣＰＵ（中央処理装置）などにより成り、操作部２３０から出力された信号を電動車いす１００の直進速度Ｖの指令値及び旋回速度Ωの指令値として入力する入力部と、下記式（１）に基づいて駆動輪２１の駆動軸心Ｑにおける第１の角速度ωｗ及び脚部２３の旋回軸心Ｒにおける第２の角速度ωｓを算出する計算部２４４と、第１の角速度ωｗと第２の角速度ωｓを第１の電気モータ２５と第２の電気モータ３２へ出力する出力部２４６と、を有する。
【００５８】
【数１】
2014073354.tif 000015
【００５９】
ここで、ｒは駆動輪２１の半径、ｓは旋回軸心Ｒと駆動軸心Ｑとの離間距離である。より詳細には、離間距離ｓは、駆動軸心Ｑを含み接地面から鉛直方向に延びる仮想平面と旋回軸心Ｒとの最短距離である。また、２つの手動用の車輪１３の回転軸心線Ｐ’をＹ軸、該Ｙ軸上の２つの車輪１３間の中点を原点Ｏとして該Ｙ軸に垂直な仮想直線をＸ軸とした車いす座標系を水平面内に設定したとき、φはＸ軸（電動車いす１００の直進方向Ｔ）に対する駆動輪２１の進行方向のなす角度（図６で説明する）、ｘ、ｙは車いす座標系における旋回軸心Ｒの位置であり、ｘは０でない。
【００６０】
制御部２４０から出力された第１の角速度ωｗの指令値によって第１の電気モータ２５を駆動して駆動輪２１を駆動軸心Ｑの周りに第１の角速度ωｗで回転し、かつ、制御部２４０から出力された第２の角速度ωｓの指令値によって第２の電気モータ３２を駆動して脚部２３を本体部２７（すなわち車いす１００）に対して旋回軸心Ｒの周りに第２の角速度ωｓで回転する。その結果、車いす１００は、操作者の意図した直進速度Ｖと旋回速度
Ωで移動することができる。
【００６１】
制御部２４０には、図示しないデータ記憶部を含むことができる。データ記憶部には、電動車いすを移動させるための所定の駆動制御データとして、例えば、上記式（１）の情報が保存され、計算部２４４の要求により読みだすことができる。データ記憶部としては、例えば、磁気ディスクの記録媒体、半導体記憶メモリなどを用いることができる。
【００６２】
電動車いす１００の制御方法は、電動車いす１００の直進速度Ｖの指令値及び旋回速度Ωの指令値から、上記式（１）に基づいて駆動軸心Ｑにおける第１の角速度ωｗ及び前記旋回軸心における第２の角速度ωｓを算出し、駆動輪２１を第１の角速度ωｗで駆動軸心Ｑの周りに回転し、駆動輪２１を第２の角速度ωｓで旋回軸心Ｒの周りに回転する。
【００６３】
本実施の形態においては、駆動輪２１を駆動軸心Ｑの周りに回転する電気モータとして第１の電気モータ２５を用い、駆動輪２１を脚部２３とともに旋回軸心Ｒの周りに回転する電気モータとして第２の電気モータ３２を用いたが、駆動輪の回転と旋回を別々の電気モータとせず、例えば、前記非特許文献５で発表されたような全方向移動機構を用いることがきる。
【００６４】
３．第２の実施形態
図６は、第２の実施形態に係る電動車いすの全方向移動機構の一部を模式的に示す横断面図である。図７は、第２の実施形態に係る電動車いす１００ａを模式的に示す概略平面図である。
【００６５】
第２の実施形態に係る電動車いす１００ａは、図７に示すように、駆動輪２１の配置が第１の実施形態と異なる。電動車いす１００ａの駆動輪２１は、手動用の車輪１３の回転軸心線Ｐ’よりも直進方向Ｔの前方であって、かつ、左側車輪１３に近い位置に配置されている。つまり２つの手動用の車輪１３の回転軸心線Ｐ’をＹ軸、該Ｙ軸上の２つの車輪１３間（トレッド）の中点を原点Ｏとして該Ｙ軸に垂直な仮想直線をＸ軸とした車いす座標系を水平面内に設定して説明すると、駆動輪２１の旋回軸心Ｒの位置は座標（ｘ、ｙ）で表すことができる。なお、ｘは０でない。ｘが０のとき、すなわち、駆動輪の旋回軸心Ｒと車輪１３の回転軸心線Ｐ’とが重なるとき、車輪１３は真横には動かないので電動車いす１００ａが移動できなくなるため、ｘは０でないこととする。なお、第１の実施形態に係る電動車いす１００と共通する構成については、同じ符号を用いて説明し、重複する説明は省略する。
【００６６】
第２の実施形態に係る電動車いす１００ａも、第１の実施形態と同様に制御することによって移動することが可能である。
【００６７】
ここでは、図６，７を用いて、電動車いす１００ａの運動学モデルを説明することによって、電動車いす１００ａが上記式（１）の制御則にしたがって、従来の手動車いすのようなその場旋回や曲線走行が実現できることを説明する。
【００６８】
図６は、図７に示す電動車いす１００ａの駆動輪２１と脚部２３の概念図である。駆動輪２１は、第１の実施形態で説明したように図示しない第１の電気モータと第２の電気モータの速度を協調制御することで並進速度の大きさと向きを自在に制御することができる。図６において、Ｘ軸とＹ軸は車いす座標系であり、ＶｘとＶｙは旋回軸心Ｒにおける電動化ユニット２（アクティブキャスタ）の各速度成分、ωｗは駆動軸心Ｑにおける車輪軸角速度である第１の角速度、ωｓは旋回軸心Ｒにおける旋回軸角速度である第２の角速度、ｒは駆動輪２１の半径、ｓは離間距離（駆動輪２１の接地位置から旋回軸心Ｒまでの水平方向のキャスタのオフセット量）、φは駆動輪２１の向き（駆動輪２１の直進方向）が
Ｘ軸となす角である。このとき、駆動軸心Ｑの周りの第１の角速度ωｗ及び旋回軸心Ｒの周りの第２の角速度ωｓと、旋回軸心Ｒに発生する速度の関係は下記式（２）で表わすことができる。
【００６９】
【数２】
2014073354.tif 000016
【００７０】
図７に示すように、電動車いす１００ａにおいては、通常では駆動輪は車いすの中心軸上に設置されることが多いと考えられるが、ここでは一般化のため任意の位置（ただし、ｘは０ではない）に設置された場合の運動学モデルを構築する。電動車いす１００ａの左右の車輪１３間（トレッド）の中点を原点Ｏとし、電動車いす１００ａの直進方向ＴにＸ軸が向くように車いす座標系を設置している。
【００７１】
このとき、電動化ユニット２（アクティブキャスタ）の発生するＸ方向、Ｙ方向の速度成分であるＶｘとＶｙは、電動車いす１００ａの直進方向Ｔ（ここではＸ軸方向）の移動速度Ｖおよび座標系原点Ｏ周りの旋回速度Ωにて下記式（３）のように求められる。
【００７２】
【数３】
2014073354.tif 000017
【００７３】
電動車いす１００ａの操縦は、操作部２３０の例えばジョイスティックを用いて行われるものとすると、ジョイスティックの前後方向の傾斜が直進速度Ｖの指令値、左右方向の傾斜が旋回速度Ωの指令値とそれぞれみなすことができる。よって、電動化ユニット２（アクティブキャスタ）の駆動軸心Ｑおよび旋回軸心Ｒの制御則は上記式（２）、（３）を用いて下記式（１）のように求められる。
【００７４】
【数１】
2014073354.tif 000018
【００７５】
このように、電動車いす１００ａの運動により、電動化ユニット２（アクティブキャスタ）の駆動軸心Ｑおよび旋回軸心Ｒの第１の角速度ωｗおよび第２の角速度ωｓは一意に決定できることがわかる（ただし、ｘは０でない）。
【００７６】
一方、従来の手動車いす１における、車いすの運動（車いすの直進速度Ｖと旋回速度Ω）と左右の車輪１３の発生する速度（左車輪の直進速度Ｖｌ、右車輪の直進速度Ｖｒ）は
図１３に示すようであり、その関係は下記式（４）で表すことができる。
【００７７】
【数４】
2014073354.tif 000019
【００７８】
このように、手動車いす１の左右の車輪１３の発生する速度も車いす１の運動により一意に決定されることから、電動化ユニット２（アクティブキャスタ）により同一の動作を生成することが可能であることがわかる。つまり、駆動輪２１の一輪で推進するにもかかわらず、その駆動輪２１の向きにかかわらず、即座に電動車いす１００ａのその場旋回や、曲線走行などが実現できる。
【００７９】
したがって、第１の実施形態に係る電動車いす１００及び第２の実施形態に係る電動車いす１００ａは、操作部２３０からの入力を制御部２４０において上記式（１）で計算することによって、駆動輪２１を回転及び／又は旋回させて操作者の意図した動作を実現することがわかる。
【００８０】
４．第３の実施形態
図８は、第３の実施形態に係る電動車いす１００ｂを模式的に示す概略側面図である。
【００８１】
基本的な構成は、第１及び第２の実施形態に係る電動車いす１００，１００ａと同じであるが、電動化ユニット２の支持構造が異なる。電動車いす１００ｂは、下部フレーム１２ｅに本体部２７を載置した２本のフレーム２２０ｂを直接固定することができる。このようにすることで、第１の実施の形態のようにフレーム２２０をＬ字状に構成することなく、電動化ユニット２をフレーム１２に取り付けることができるので、構造が単純で安定しており、部品点数が削減できるため、軽量化と省コストを実現することができる。
【００８２】
５．第４の実施形態
図９は、第４の実施形態に係る電動車いす１００ｃを模式的に示す概略側面図である。
【００８３】
基本的な構成は、第１〜３の実施形態に係る電動車いす１００，１００ａ，１００ｂと同じであるが、電動化ユニット２の支持構造が異なる。電動車いす１００ｃは、座部支持フレーム１２ｂを後方に延長し、さらにその座部支持フレーム１２ｂから下方に４本の支柱２２０ｃを吊り下げ固定し、その４本の支柱２２０ｃの下端にフレーム２２０ｄを固定し、そのフレーム２２０ｄ上に本体部２７を固定することができる。このようにすることで、電動化ユニット２を確実にフレーム１２に取り付けることができる。
【００８４】
なお、前記実施形態においては、手動車両として手動車いすを用いた例について説明したが、これに限らず、例えば、荷物の運搬などに用いる台車などを用いることができる。その場合、手動車両は、少なくとも同一回転軸線上に配置された２つの車輪を有する。また、前記実施形態においては、手動車両としての手動車いすに電動化ユニットを取り付けたいわゆる簡易電動車いすについて述べたが、これに限らず、手動車いすと電動化ユニットを工場組立時に一体化した電動車いすとすることができる。
【００８５】
６．第５の実施形態
第５の実施形態に係る電動車いす１００ｅについて、図１４〜図１９を用いて説明する。
【００８６】
図１４及び図１５は、第５の実施形態に係る電動車いす１００ｅを模式的に示す概略平面図である。図１６は、第５の実施形態に係る電動車いすを模式的に示す概略側面図である。図１７は、第５の実施形態に係る電動車いすの電動化ユニットに用いる全方向移動機構を模式的に示す背面図である。図１８は、第５の実施形態に係る電動車いすの旋回動作シミュレーション結果を示す図である。図１９は、第５の実施形態に係る電動車いすの旋回動作シミュレーション結果を示す図である。
【００８７】
図１４及び図１５に示す第５の実施形態に係る電動車いす１００ｅは、従動輪である２つのキャスタ１４を電動車いす１００ｅの前方に表示している点が図７及び図１３で説明した第２の実施形態に係る電動車いす１００ａと異なる。しかし、図７及び図１３の電動車いす１００ａはキャスタを省略して記載しただけであって、基本的な５つの車輪の構成は第５の実施の形態と同じである。図１４及び図１５では図示を省略しているが、第５の実施形態に係る電動車いす１００ｅは、２つの従動輪であるキャスタ１４の旋回動作を拘束する拘束機構と、フレームを本体部に対して相対的に移動させ、手動用の車輪１３を接地状態と非接地状態とに変更するアクチュエータと、をさらに有する点で第２の実施形態に係る電動車いす１００ａとは異なる。拘束機構とアクチュエータについては、後述する。また、第２の実施形態と重複する部分についての説明は省略する。
【００８８】
ここでは、まず、図１４を用いて、電動車いす１００ｅの運動学モデルを説明することによって、電動車いす１００ｅが上記式（１）の制御則にしたがって、手動用の車輪１３側での旋回動作と、キャスタ１４側での旋回動作とが実現できることを説明する。
【００８９】
図１４において、電動車いす１００ｅは、２つの手動用の車輪１３が接地状態にあり、図７と全く同様であって、電動化ユニット２（アクティブキャスタ）の駆動輪２１は下記式（１）に基づいて動作し、電動車いす１００ｅを制御することができる。具体的には、図１４における電動車いす１００ｅの制御方法は、電動車いす１００ｅの直進速度Ｖの指令値及び旋回速度Ωの指令値から、下記式（１）に基づいて駆動軸心Ｑにおける第１の角速度ωｗ及び旋回軸心Ｒにおける第２の角速度ωｓを算出し、駆動輪２１を第１の角速度ωｗで駆動軸心Ｑの周りに回転し、駆動輪２１を第２の角速度ωｓで旋回軸心Ｒの周りに回転する。
【００９０】
【数１】
2014073354.tif 000020
【００９１】
なお、ｒは駆動輪２１の半径、ｓは旋回軸心Ｒと駆動軸心Ｑの離間距離である。より具体的には、ｓは、駆動軸心Ｑを含む水平面内における駆動軸心Ｑと旋回軸心Ｒとのもっとも近接した離間距離である。また、２つの手動用の車輪１３の回転軸心線Ｐ’をＹ軸、Ｙ軸上の２つの手動用の車輪１３間の中点を原点ＯとしてＹ軸に垂直な仮想直線をＸ軸とした車いす座標系Ｘ−Ｙを水平面内に設定したとき、φはＸ軸（電動車いす１００ｅの直進方向）に対する駆動輪２１の進行方向のなす角度、ｘ、ｙは車いす座標系Ｘ−Ｙにおける旋回軸心Ｒの位置であり、ｘは０ではないものとする。
【００９２】
図１４の状態での電動車いす１００ｅの旋回中心は、車いす座標系Ｘ−Ｙの（ｘ、ｙ）
＝（０，０）であり、すなわち、２つの手動用の車輪１３間の中点（原点Ｏ）の位置にある。このように電動車いす１００ｅの後輪側に旋回中心がある場合には、一般に、直進走行性に優れ、特に高速で走行する場合には操作が容易であるという有利な特徴を有する。しかし、一方で、電動車いす１００ｅの後輪側に旋回中心がある場合には、狭い角を曲がる場合や、幅寄せなどの操作において不利である。
【００９３】
そこで、本実施の形態においては、図１４の状態から図１５の状態へ電動車いす１００ｅの旋回中心を変更する。具体的には、図示していない拘束機構によってキャスタ１４の転がり方向を直進方向Ｔに合わせ、さらに図示していないアクチュエータによって手動用の車輪１３を浮かせて非接地状態とする。図１４では５つの車輪が設置していたのに対し、図１５では３つの車輪だけが設置した３輪タイプの車いすとなる。キャスタ１４は、拘束機構により拘束されているため自身での旋回動作が制限されている。
【００９４】
図１５における電動車いす１００ｅの場合にも上記式（１）を用いて制御することができるが、その場合には、電動車いす１００ｅの旋回中心が原点Ｏから原点Ｏ’へと変更されていることに伴い、車いす座標系Ｘ−Ｙを車いす座標系Ｘ’−Ｙ’へと変更する必要があり、したがって、電動車いす１００ｅの制御部において上記式（１）を下記式（５）に切り替えて制御することができる。
【００９５】
【数５】
2014073354.tif 000021
【００９６】
電動車いす１００ｅの旋回中心である原点Ｏ’は、キャスタ１４間の中点であり、電動車いす１００ｅの制御部は、操作部から出力された信号をキャスタ１４間の中点における電動車いす１００ｅの直進速度Ｖ２の指令値及び旋回速度Ω２の指令値として入力し、式（５）に基づいて電動車いす１００ｅの進行方向を変更することができる。具体的には、図１５における電動車いす１００ｅの制御方法は、電動車いす１００ｅの直進速度Ｖ２の指令値及び旋回速度Ω２の指令値から、上記式（５）に基づいて駆動軸心Ｑにおける第１の角速度ωｗ及び旋回軸心Ｒにおける第２の角速度ωｓを算出し、駆動輪２１を第１の角速度ωｗで駆動軸心Ｑの周りに回転し、駆動輪２１を第２の角速度ωｓで旋回軸心Ｒの周りに回転する。
【００９７】
なお、ｒは駆動輪２１の半径、ｓは旋回軸心Ｒと駆動軸心Ｑの離間距離である点は図１４の状態と同じである。また、２つのキャスタ１４の回転軸心線Ｐ２をＹ’軸、該Ｙ’軸上の２つのキャスタ１４間の中点を原点Ｏ’として該Ｙ’軸に垂直な仮想直線をＸ’軸とした第２の車いす座標系Ｘ’−Ｙ’を水平面内に設定したとき、φ２はＸ’軸（車いすの直進方向Ｔ）に対するキャスタ１４の進行方向のなす角度、ｘ２、ｙ２は車いす座標系Ｘ’−Ｙ’における旋回軸心Ｒの位置であり、ｘ２は０でない。
【００９８】
したがって、第５の実施形態に係る電動車いす１００ｅは、操作部２３０からの入力を制御部２４０において上記式（１）または上記式（５）で計算することによって、駆動輪２１を回転及び／又は旋回させて操作者の意図した動作を実現することができる。
【００９９】
このように、電動車いす１００ｅの旋回中心が車いす前方のキャスタ１４間の中点に変更されることにより、車いすの操作性も大きく変更され、狭い角を曲がる場合や、幅寄せ
などの操作が容易になる。したがって、車いすの使用者は、その使用環境などを考慮し、１台の電動車いす１００ｅによって、屋内、屋外などの使用環境の変化に合わせて、後輪である手動用の車輪１３側に旋回中心を有する制御と、前輪であるキャスタ１４側に旋回中心を有する制御とを使い分けることができる。すなわち、１台の車いすで、多様な環境において操作性を向上させることができる車いす駆動システムを提供することができる。
【０１００】
図１６に示すように、第５の実施形態に係る電動車いす１００ｅは、フレーム等の形状を省略しているが、第１の実施形態の電動車いす１００ａの基本的な構成が同じである。なお、図１６〜図１９における駆動輪２１の配置が図１４，１５とは異なるが、上記制御式（１）、（５）はそのまま用いることができる。電動車いす１００ｅは、手動車いす１ｅと、手動車いす１ｅに取り付けられた電動化ユニット２ｅと、を含む。電動車いす１００ｅにおける手動車いす１ｅは、図示しない座部が設けられたフレーム１２と、座部を挟んでフレーム１２に同一の回転軸心線Ｐ’上の車輪軸心Ｐで回転自在に取り付けられた２つの手動用の車輪１３と、フレーム１２の前方のステップ１５の下方に回転自在に取り付けられた２つのキャスタ１４を有する。なお、ここでは、第１の実施形態の説明と重複する説明は省略する。
【０１０１】
キャスタ１４は、手動車いす１の従動輪であるが、図示しない拘束機構によってキャスタ１４の旋回動作が拘束される。拘束機構は、キャスタ１４の車輪部分を回転自在に保持する本体部分をフレーム１２に対して旋回しないように固定するものであれば、公知の機構を採用することができる。例えば、フレーム１２にロックピンを設け、キャスタ１４の本体部分に設けた所定の穴に係合してもよい。拘束機構は、電気的方法、磁気的方法または手動によって動作する方式を採用することができる。キャスタ１４の向き、すなわち、キャスタ１４の車輪の転がり方向は、電動車いす１００ｅの直進方向Ｔに合わせて固定される。キャスタ１４は、周知のように手動用の車輪１３を操作して直進方向Ｔに前進させれば、自動的に旋回してその直進方向Ｔに合うように向きを変える。そのようにして、キャスタ１４の転がり方向を直進方向Ｔに合わせたところで拘束機構によって拘束すればよい。
【０１０２】
図１７は、電動化ユニット２ｅを電動車いす１００ｅの後方から見た背面図であるが、説明のために平歯車４１を断面で示している。電動化ユニット２ｅは、フレーム１２に図１６に示すようなフレーム２２０を介して軸Ｐｗで回動可能に取り付けられた本体部２７と、本体部２７に対して旋回軸心Ｒの周りに回転可能な脚部２３と、旋回軸心Ｒに対して所定の離間距離ｓを隔てて配置された駆動軸心Ｑを有し、脚部２３に対し駆動軸心Ｑの周りに回転自在に配置された駆動輪２１と、を有する。電動化ユニット２ｅは、図１７に示すように、平歯車４０，４１，４２及び傘歯車４３，４４を介して駆動輪２１を脚部２３に対して回転させる第１の電気モータ２５と、平歯車２９，３１を介して脚部２３を本体部２７に対して回転させる第２の電気モータ３２と、を有する。
【０１０３】
アクチュエータ５０は、フレーム１２を電動化ユニット２ｅの本体部２７に対して相対的に移動させ、手動用の車輪１３を接地状態と非接地状態とに変更することができる。すなわち、アクチュエータ５０を駆動させることによって、手動用の車輪１３が地表から離れるまでフレーム１２を上昇させ、前輪の２つのキャスタ１４及び駆動輪２１だけで接地する３輪タイプに変更することができる。このとき、キャスタ１４は拘束機構によって拘束され、電動車いす１００ｅの旋回動作及び進退動作については電動化ユニット２ｅの駆動輪２１が行う。アクチュエータ５０の下端は電動化ユニット２ｅの本体部２７の後方上面に固定し、アクチュエータ５０のロッド部５２の先端はフレーム１２の例えば背もたれ部分の後方に固定することができる。アクチュエータ５０を駆動することで、ロッド部５２がアクチュエータ５０に対し進退移動し、本体部２７とフレーム１２との間の距離を変更することができる。
【０１０４】
したがって、電動車いす１００ｅは、フレーム１２の前方に取り付けられた２つの従動輪（本実施の形態ではキャスタ１４）と、その従動輪の旋回動作を拘束する拘束機構と、フレーム１２の後方に取り付けられた２つの手動用の車輪１３と、電気モータ２５，３２によって電動車いす１００を旋回動作及び進退動作することができる駆動輪２１と、駆動輪２１に対してフレーム１２を昇降させるアクチュエータ５０と、を有し、このアクチュエータ５０によって手動用の車輪１３を接地状態と非接地状態とに変更することができることも新規な特徴である。特に、電動車いす１００ｅは、進退動作及び旋回動作を行う１輪の駆動輪２１と、駆動機構を有していない４つの従動輪と、を有し、少なくとも２つの従動輪を昇降可能なアクチュエータ５０によって、５輪接地状態と３輪接地状態とに変更可能なことは新規な特徴部分である。このような構成を採用することによって、３輪接地状態では前輪駆動タイプの電動車いすのような小回りの利く室内移動に有利な電動車いすと、５輪接地状態では後輪駆動タイプの電動車いすのような安定した高速及び長距離移動のある室外移動に有利な電動車いすと、を１台の車いすによって自由に切り替え可能であるという格別の効果を有することができる。
【０１０５】
また、電動車いす１００ｅのアクチュエータ５０は、５輪接地状態からロッド部５２を縮めてキャスタ１４を浮かせることもでき、その場合には手動用の車輪１３と駆動輪２１が設置する３輪接地状態に変更することができる。このようにキャスタ１４を非接地状態とすると、例えば比較的大きめの段差を電動車いす１００ｅで乗り超える際に、キャスタ１４をその段差に乗り上げやすくなり、段差があっても比較的容易に操作することができる。
【０１０６】
アクチュエータ５０としては、公知の駆動機構を用いることができ、例えば、直動型の駆動機構であることができ、リニアモータ、ボールねじ機構などの電動機構の他、油圧機構、空圧機構または手動機構などを採用することができる。また、フレーム１２と電動化ユニット２ｅとの間にサスペンション機構を採用することもできる。
【０１０７】
図１８及び図１９は、第５の実施の形態に係る電動車いす１００ｅを手動用の車輪１３を非接地状態に浮かせて３輪にしたときの旋回動作のシミュレーション結果を示す図である。電動車いす１００ｅは、前輪であるキャスタ１４の間の中点の原点Ｏ’を中心とした旋回動作を行うことができることがわかった。また、実際の電動車いすにおいても同様に手動用の車輪を浮かせた状態で旋回動作すると、前輪であるキャスタ間の中点を中心に旋回動作できた。
【０１０８】
第１の実施形態〜第５の実施形態の電動車いすにおいては、手動用の車輪１３の回転軸線Ｐ上に駆動輪２１の旋回軸心Ｒがない（式（１）または式（５）において、ｘまたはｘ２は０でない。）ため、特に加速時における電動車いすの優れた姿勢安定性を得ることができる。具体的には、例えば従来の後輪駆動タイプの簡易電動車いすにあっては、大きな加速度で加速したりする場合に、車いすのフレームに前輪が浮き上がるいわゆるウイリーの状態になることが考えられるが、第１の実施形態〜第５の実施形態の電動車いすではそのような動作を起こしにくくなる。すなわち、図１４の電動車いす１００ｅにあっては、駆動輪２１よりも後方に手動用の車輪１３があるため、加速時に前輪１４が浮き上がるときには駆動輪２１も浮き上がるため、加速できなくなり、結果としてウイリーの状態になることを防止することができる。また、図３，４，８，１６のように駆動輪２１の旋回軸心Ｒが手動用の車輪１３の回転軸線Ｐよりも後方にある電動車いす１００，１００ｂ，１００ｃ，１００ｅにあっては、駆動輪２１が前輪１４の浮き上がりを防止することができる。したがって、第１の実施形態〜第５の実施形態の電動車いすは、加速時における優れた姿勢安定性を得ることができ、高い加速度性能を得ることで機敏な動作も可能となる。
【実施例１】
【０１０９】
図１０は、実施例１に係る電動車いす試作機１００ｄの外観を示す写真である。
【０１１０】
第１の実施形態に係る電動車いす１００の試作機１００ｄを試作して、走行実験を行った。
【０１１１】
手動車いす１としてＯＸエンジニアリング社製の「ＮＥＯ」をベースとし、電動化ユニット２（アクティブキャスタ）を手動車いす１の後方、駆動輪２１がＸ軸上に配置されるように取りつけ、簡易電動車いすの試作機１００ｄを作成した。試作機１００ｄでの電動化ユニット２の取り付け位置は、旋回軸心Ｒが（ｘ、ｙ）＝（−０．３，０）［ｍ］とした。
【０１１２】
操作部はジョイスティックにより行われ、ジョイスティックの直進速度Ｖの指令値と旋回速度Ωの指令値が電圧値として制御部としてのパソコンに取り込まれ、駆動輪の向きに応じてサーボモータからなる第１の電気モータ及び第２の電気モータを制御した。駆動輪の方向の検出には、アブソリュートエンコーダを用いており、初期化などの動作は不要である。
【０１１３】
走行実験では、直線走行とその場旋回走行について、それぞれの基本的な動作を実行するよう電動化ユニット２を制御し、要求された車いすの動作が実現できているかの検証を行った。直進走行では一定速度で直進走行を行う指令を与え、その場旋回動作では、一定角速度により旋回する指令を与え、それぞれの場合において、試作機１００ｄの運動を測定した。手動車いす１の左右車輪１３の回転運動は、ポテンショメータにより測定した。さらに、それぞれの走行において電動化ユニット２の状態を知るために、電動化ユニット２の第１の角速度ωｗ（駆動輪軸における角速度）、第２の角速度ωｓ（旋回軸角における角速度）をエンコーダにより測定した。
【０１１４】
（１）直進運動試験
図１１は、実施例１に係る電動車いすの試作機１００ｄの直進動作試験測定結果である。ここで、車いす座標系におけるＸ軸（前記車いすの直進方向）に対する前記駆動輪の進行方向のなす角度φ（アクティブキャスタの操舵角）、試作機１００ｄの直進方向の変位Ｘおよび姿勢角θを示した。
【０１１５】
初期状態においては、操舵角φはほぼ１８０°、つまり後ろ向きである。この状態から、即座に車いす前方への動作を開始し、直進動作の途中で駆動輪の向きが裏返り、進行方向に向くよう動作していることが確認できる。キャスタの裏返り動作中においても、直進方向の変位ｘのみが直線的に増加し、良好な直進動が実現できていることがわかった。
【０１１６】
（２）旋回運動試験
図１２は、実施例１に係る電動車いすの試作機１００ｄの旋回動作試験測定結果である。
【０１１７】
前記（１）の直進試験と同様の試験条件にて、旋回動作試験を行った。この場合においても、旋回動作の途中でキャスタの裏返り動作が発生するような初期条件を設定した。車いすの姿勢角θが大きく変化しているにもかかわらず、直進方向の変位Ｘはほぼ０に維持されており、良好な旋回動作が実現できていることが確認できた。
【符号の説明】
【０１１８】
１、１ｅ  手動車いす、２  電動化ユニット、１２  フレーム、１２ａ  車輪支持フレーム、１２ｂ  座部支持フレーム、１２ｃ  肘掛け支持フレーム、１２ｄ  背もたれ部支
持フレーム、１２ｅ  下部フレーム、１３  車輪、１４  キャスタ、１６ａ  座部、１６ｂ  背もたれ部、２１  駆動輪、２２  車軸、２３  脚部、２４  減速機、２５  第１の電気モータ、２６  エンコーダ、２７  本体部、２８  軸受け、２９  歯車、３１  歯車、３２  第２の電気モータ、３４  エンコーダ、４０、４１、４２、４３、４４  歯車、１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ  電動車いす、２２０、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄ  フレーム、２３０  操作部、２４０  制御部、２４２  入力部、２４４  計算部、２４６  出力部、Ｏ、Ｏ’  原点、Ｐ  車輪軸心、Ｐ’回転軸心線、Ｑ  駆動軸心、Ｒ  旋回軸心、ｒ  離間距離、ｓ  半径、φはＸ軸に対する駆動輪の角度、ωｗ  第１の角速度、ωｓ  第２の角速度、Ｖ  直進速度、Ω  旋回速度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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