(57)【要約】【課題】搭乗者や介助者が加える力の検出を不要して簡単な構成及び制御内容としながら車椅子の操作力を軽減し、かつ、速度のコントロール性の良好な車椅子を提供する。【解決手段】走行路の傾斜状態が登り勾配である場合に、所定の勾配範囲内で補助力が一定となるように、かつ、補助力が、走行路で静止状態にある車椅子が登り方向に動き出す力未満となるように決定する。決定された補助力を発生するように電動モータ２５を制御する。【選択図】図１
2019141255.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
搭乗者または介助者の操作力を補助する補助力を発生する補助力発生装置を備えた補助力発生装置付き車椅子において、
前記補助力発生装置は、電動モータと、該電動モータに電力を供給するバッテリと、前記車椅子が走行する走行路の傾斜状態を検出する傾斜状態検出センサと、該傾斜状態検出センサで検出された前記走行路の傾斜状態及び前記車椅子の総重量に基づいて前記補助力を決定し、前記電動モータが前記補助力を発生するように前記電動モータを制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記傾斜状態検出センサで検出された前記走行路の傾斜状態が登り勾配であると判定された場合に、所定の勾配範囲内で前記補助力が一定となるように、かつ、当該補助力が、前記勾配範囲内の前記走行路で静止状態にある前記車椅子が登り方向に動き出す力未満となるように決定し、当該決定された補助力を発生するように前記電動モータを制御するように構成されていることを特徴とする補助力発生装置付き車椅子。
【請求項２】
請求項１に記載の補助力発生装置付き車椅子において、
複数の互いに異なる勾配範囲が予め設定されており、
前記制御装置は、各勾配範囲内で前記補助力が一定となるように前記補助力を決定することを特徴とする補助力発生装置付き車椅子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の補助力発生装置付き車椅子において、
前記制御装置は、前記傾斜状態検出センサで検出された前記走行路の傾斜状態が登り勾配であると判定された場合に、前記車椅子が下り方向に動き出すのを阻止する力を前記補助力とすることを特徴とする補助力発生装置付き車椅子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、補助力発生装置付き車椅子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、足が不自由な人や高齢者等が使用する車椅子として、搭乗者が自らハンドリムを操作して車輪を回転させる手動式車椅子と、搭乗者が操作レバーを操作して電動モータの力によって車輪を回転させる電動式車椅子とがある。手動式車椅子の場合、高齢者や上半身の筋力が衰えた人にとって坂道を登るのが困難であり、このような人のために電動式車椅子を使用することがある。しかし、電動式車椅子は、重量が重くなるとともに、高価であり、しかも操作の際には周囲に対する細やかな安全確認と操作に対する慣れも必要になり、普及には課題が多い。
【０００３】
そこで、手動式車椅子をベースとして電動モータやバッテリ等を搭載して操作者のアシストを行う補助力発生装置付き車椅子が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の補助力発生装置付き車椅子は、ハンドリムに加えられた人力の大きさをセンサによって検出し、このセンサによって検出した人力の大きさに比例した補助力を電動モータで発生させることにより、操作力を軽減するように構成されている。また、センサが人力を検出しないときには、車椅子の車輪の位置を検出し、車輪の位置が変化しないように電動モータの出力を制御している。具体的には、センサが人力を検出した場合には、予め設定された人力と補助力との比率から必要とされる補助力の大きさを算出して電動モータを制御するパワーアシスト制御を行う一方、センサが人力を検出しない場合には、予め入力されている搭乗者の体重及び車椅子の重量と、車椅子が停止している地点の傾斜角とから、その地点で車椅子を停車させておくのに必要な力を算出して電動モータを制御する停止位置保持制御を行うように構成されている。
【０００４】
また、特許文献２にはパワーアシスト付運搬車が開示されている。特許文献２のパワーアシスト付運搬車は、操作部に加えられた外力を検出し、検出された外力に応じたアシスト力を駆動源に発生させるように構成されている。
【０００５】
さらに、特許文献３には補助力発生装置付き車両が開示されている。特許文献３の補助力発生装置付き車両は、人力駆動力を検出し、検出した人力駆動力に所定の補助力比率を乗算して人力駆動力を補助する補助力を得た後、この補助力が得られるように電動モータを制御するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１７３３８４号公報
【特許文献２】特開平８−２８２４９８号公報
【特許文献３】特開２００２−１４５１６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１の補助力発生装置付き車椅子では、ハンドリムに加えられた人力の大きさに比例した補助力を電動モータで発生させて操作力の軽減を図るものなので、従来の電動式車椅子のように駆動力の１００％を電動モータで発生させる場合に比べると、バッテリを含めた駆動系の重量を軽減することができるとともに、価格を低減することができ、また搭乗者が進みたい方向にハンドリムを操作しなければ車椅子が動かないので、電動式車椅子に比べて操作が直感的で操作性が良好であると考えられる。
【０００８】
しかしながら、特許文献１の場合、操作者の操作力を検出するセンサを設ける必要があるとともに、そのセンサによって検出された操作力に基づいて補助力を発生させるので、安全上、常に正確な検出値を出力させる必要があり、車椅子のコスト高の要因となる。また、センサによって検出した人力の大きさに比例した補助力を電動モータで発生させる制御を行っているが、加えられる力は常に変化しており、特にハンドリムを操作する場合には人力の変動幅が大きく、安全を確保した上での補助力の演算は複雑化するという問題がある。
【０００９】
また、操作者が車椅子の速度を増加させようとした場合、加えられた人力の大きさに比例した補助力が電動モータによって加えられるので、少ない力で増速させることができる反面、手動式車椅子から乗り換えた場合に速度が急に増加しやすく、速度のコントロール性が良好であるとは言い難い面がある。これを解決しようとすると、センサ及び電動モータの応答速度、制御装置の演算速度を高める必要があるとともに、制御が複雑化してしまう。
【００１０】
特許文献２、３の車両においても、外力を検出するセンサや人力駆動力を検出するセンサの検出値に基づいて補助力が算出されるので、車椅子の補助力発生装置に適用しようとした場合には特許文献１と同様な問題が生じ得ると考えられる。
【００１１】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、搭乗者や介助者が加える力の検出を不要して簡単な構成及び制御内容としながら車椅子の操作力を軽減し、かつ、速度のコントロール性の良好な車椅子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、第１の発明は、搭乗者または介助者の操作力を補助する補助力を発生する補助力発生装置を備えた補助力発生装置付き車椅子において、前記補助力発生装置は、電動モータと、該電動モータに電力を供給するバッテリと、前記車椅子が走行する走行路の傾斜状態を検出する傾斜状態検出センサと、該傾斜状態検出センサで検出された前記走行路の傾斜状態及び前記車椅子の総重量に基づいて前記補助力を決定し、前記電動モータが前記補助力を発生するように前記電動モータを制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記傾斜状態検出センサで検出された前記走行路の傾斜状態が登り勾配であると判定された場合に、所定の勾配範囲内で前記補助力が一定となるように、かつ、当該補助力が、前記勾配範囲内の前記走行路で静止状態にある前記車椅子が登り方向に動き出す力未満となるように決定し、当該決定された補助力を発生するように前記電動モータを制御するように構成されていることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、車椅子の重量、搭乗者の重量及び荷物等の重量を合わせた重量が車椅子の総重量となり、この車椅子の総重量と、走行路の傾斜状態とに基づいて制御装置が補助力を決定する。そして、電動モータは補助力を発生するので、搭乗者または介助者の操作力が少なくて済む。
【００１４】
このとき設定された補助力は、静止状態にある車椅子が動き出す力未満であるため、電動式車椅子のように駆動力の１００％を電動モータで発生させる場合に比べると、バッテリを含めた駆動系の重量が軽減されるとともに、価格が安価になる。また、搭乗者が進みたい方向にハンドリムを操作しなければ静止状態にある車椅子が動かないので、電動式車椅子に比べて操作が直感的で操作性が良好になる。
【００１５】
さらに、所定の勾配範囲内では、加えられた操作力の大小に関わらず補助力が一定であるため、車椅子の速度を増加させようとした場合には、その分、搭乗者または介助者による操作力を大きくすればよく、特に手動式車椅子から乗り換えたときに速度のコントロール性が良好になる。
【００１６】
第２の発明は、複数の互いに異なる勾配範囲が予め設定されており、前記制御装置は、各勾配範囲内で前記補助力が一定となるように前記補助力を決定することを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、例えば走行路の登り勾配が緩い場合には補助力を小さくし、また走行路の登り勾配が急な場合には補助力を大きくすることができるので、走行路の傾斜状態に応じた補助力を得ることができる。
【００１８】
第３の発明は、前記制御装置は、前記傾斜状態検出センサで検出された前記走行路の傾斜状態が登り勾配であると判定された場合に、前記車椅子が下り方向に動き出すのを阻止する力を前記補助力とすることを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、例えば登り勾配の走行路に車椅子を停止させているときに、当該車椅子が下り方向に動き出さないように補助力を加えることができるので、車椅子の操作性及び安全性を高めることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、走行路の傾斜状態が登り勾配である場合に、所定の勾配範囲内で補助力が変化しないように、かつ、当該補助力が、静止状態にある車椅子が動き出す力未満となるように決定し、当該決定された補助力を発生するように電動モータを制御することができる。これにより、搭乗者や介助者が加える力の検出を不要して簡単な構成及び制御内容としながら車椅子の操作力を軽減することができ、しかも、速度のコントロール性を良好にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係る補助力発生装置付き車椅子を前方から見た斜視図である。
【図２】補助力発生装置のブロック図である。
【図３】ラチェット機構の概略構成図である。
【図４】登り勾配路における車椅子の発進、走行時の力の関係図である。
【図５】車椅子が登り勾配路を発進及び走行するときに要する力を説明する図である。
【図６】登り勾配路における操作力と補助力との関係を示す図である。
【図７】傾斜角度が０゜〜１４゜の範囲における操作力と補助力との関係を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００２３】
図１は、本発明の実施形態に係る補助力発生装置付き車椅子１（単に「車椅子」ともいう。）を前方から見た斜視図であり、図２は、前記車椅子１が備えている補助力発生装置２のブロック図である。補助力発生装置２は、搭乗者または介助者の操作力を補助するための補助力を発生する装置である。
【００２４】
図１に示すように、前記車椅子１は、フレーム１０と、左右の後輪１１、１１及び前輪１２、１２と、搭乗者が着座する着座部１３とを有している。フレーム１０は、例えば金属製のパイプ材等を組み合わせてなるものであり、従来の手動式車椅子と同様に折り畳み可能に構成されている。折り畳み構造は、特に限定されるものではなく、従来から用いられる構造を適用することができる。左右の後輪１１、１１は、フレーム１０の着座部１３の両側方にそれぞれ配置されており、当該フレーム１０に対して水平方向（車椅子１の左右方向）に延びる軸周りに回転可能に取り付けられている。すなわち、図３に示すように、水平方向に延びるシャフト１１ｂが後輪１１の中心部に結合されて一体化されており、このシャフト１１ｂがフレーム１０に対して回転可能に支持されている。
【００２５】
各後輪１１には、前記軸周りに延びる円環状のハンドリム１１ａが固定されている。ハンドリム１１ａは、着座部１３に着座した搭乗者が手で操作するための部材であり、搭乗者がハンドリム１１ａを握って前方向に回すことで車椅子１に前進方向の操作力が加わり、また搭乗者がハンドリム１１ａを握って後方向に回すことで車椅子１に後退方向の操作力が加わる。
【００２６】
前輪１２は従動輪であり、フレーム１０の前部に対して鉛直軸周りに旋回自在に取り付けられている。
【００２７】
フレーム１０の左右両側には、ハンドブレーキ１４がそれぞれ取り付けられている。ハンドブレーキ１４は、従来の手動式車椅子にも取り付けられている部材であり、搭乗者が押動操作することよって後輪１１に接触し、そのときに発生する摩擦力を利用してブレーキ力を得ることができるように構成されている。
【００２８】
フレーム１０の後部には、介助者が持つハンドル１５が左右にそれぞれ設けられている。ハンドル１５には、ブレーキレバー（図示せず）を設けることができる。このブレーキレバーの操作によって後輪１１にブレーキをかけることができる。このブレーキは従来から周知である。介助者がハンドル１５を持って前方へ押すと車椅子１に前進方向の操作力が加わり、また介助者がハンドル１５を持って後方へ引くと車椅子１に後退方向の操作力が加わる。すなわち、車椅子１には、搭乗者がハンドリム１１ａを操作することによる操作力と、介助者がハンドル１５を操作することによる操作力とのいずれか一方または両方を加えることができる。また搭乗者及び介助者が前記車椅子１の操作者となる。
【００２９】
図２に示すように、補助力発生装置２は、制御装置２０と、傾斜センサ２１（傾斜状態検出センサ）と、操作ボタン２２と、バッテリ２４と、電動モータ２５とを少なくとも備えている。傾斜センサ２１は、車椅子が走行する走行路の傾斜状態を検出するセンサであり、図１に示すようにフレーム１１に取り付けることができる。尚、傾斜センサ２１は、着座部１３やハンドル１５に取り付けるようにしてもよい。
【００３０】
傾斜センサ２１は、従来から周知のものを使用することができ、例えば振り子を利用したセンサや、重力加速度を測定して鉛直線に対する傾きや水平線に対する傾きを求めるセンサ等を挙げることができる。傾斜センサ２１は制御装置２０に接続されており、所定間隔（例えば０．１秒毎）で傾斜状態を測定し、その測定値を直ちに制御装置２０に出力するように構成されている。傾斜センサ２１の設置方向の設定及び測定値の演算により、車椅子１が走行する走行路の傾斜角度、即ち勾配を求めることができ、傾斜角度、勾配は、制御装置２０によって得ることができる。
【００３１】
操作ボタン２２は、登りモード、平地モード、下りモードのうち、１つのモードを選択するためのボタンである。図１では、操作ボタン２２が、左右のハンドル１５及び着座部１３の左右のアームレスト１３ａに設けられている場合を示しているが、これらのうち、１箇所にのみ操作ボタン２２を設けてもよいし、任意の２箇所または３箇所に操作ボタン２２を設けてもよい。またモード選択は省略してもよい。
【００３２】
登りモードは、走行路が登り勾配路である場合に選択するモードであり、平地モードに比べて補助力を大きくするモードである。また平地モードは、走行路が勾配を有していない場合に選択するモードである。また下りモードは、走行路が下り勾配路である場合に選択するモードであり、補助力を発生させないモードである。尚、この実施形態では、傾斜センサ２１から出力される測定値に基づいて走行路の勾配を得ることができるので、前記モードの選択は、例えば傾斜センサ２１から出力される測定値に基づいて自動で行うようにしてもよい。すなわち、傾斜センサ２１から出力される測定値に基づいて得られる走行路の勾配が登り勾配である場合には登りモードを選択し、また傾斜センサ２１から出力される測定値に基づいて得られる走行路の勾配がほぼ０である場合には平地モードを選択し、また傾斜センサ２１から出力される測定値に基づいて得られる走行路の勾配が下り勾配である場合には下りモードを選択する。また、操作ボタン２２は、補助力発生装置２の電源をＯＮ、ＯＦＦする電源ボタンを備えていてもよい。
【００３３】
バッテリ２４は、電動モータ２５に電力を供給するための二次電池であり、例えばリチウムイオン電池等である、バッテリ２４は、図１に示すようにフレーム１１の後部に着脱可能に取り付けられている。バッテリ２４をフレーム１１の後部に取り付けることにより、交換時の作業性が良好になる。
【００３４】
電動モータ２５は、後述する補助力を発生させることができる程度の出力を有している。電動モータ２５は例えばフレーム１０に固定されている。電動モータ２５の出力軸には例えば減速歯車（図示せず）が設けられている。電動モータ２５の出力は、減速歯車を介して前記車輪１１に結合されているシャフト１１ｂ（図３に示す）に伝達される。電動モータ２５の出力軸と、シャフト１１ｂとの間には、例えば手動式のクラッチ（図示せず）を設けることができる。電動モータ２５による補助力が必要な時にはクラッチを接続状態にし、補助力が不要な時にはクラッチを非接続状態にすればよい。
【００３５】
図３に示すように、シャフト１１ｂにはギヤ１１ｃが結合されている。ギヤ１１ｃには、ラチェット歯１６が噛み合うようになっている。ラチェット歯１６は、フレーム１０における後輪１１の支持部分近傍に対して左右方向に延びるピン１６ａ周りに揺動可能に設けられており、ピン１６ａ周りに揺動することにより、図３に実線で示すようにギヤ１１ｃの歯に噛み合って該ギヤ１１ｃに係合した位置（係合位置）と、同図に仮想線で示すようにギヤ１１ｃの歯から離れて該ギヤ１１ｃから離脱した位置（離脱位置）とに切り替えられる。ラチェット歯１６は、引っ張りバネ１６ｂによってギヤ１１ｃの歯に噛み合う方向に常時付勢されている。また、ラチェット歯１６には、操作レバー１６ｄが設けられている。搭乗者や介助者が操作レバー１６ｄを操作することより、ラチェット歯１６を係合位置と、離脱位置とに切り替えることができる。
【００３６】
図３に示す「前」は車椅子１の前進方向である。矢印Ａで示す方向は、後輪１１が車椅子１の前進方向に回転した場合のギヤ１１ｃの回転方向であり、ラチェット歯１６は、ギヤ１１ｃが矢印Ａ方向に回転することは許容し、ギヤ１１ｃが矢印Ａと反対方向に回転することは阻止するように、当該歯の形状及び位置が設定されている。つまり、ギヤ１１ｃ及びラチェット歯１６により、車椅子１の前進を許容しかつ後退を阻止するラチェット機構が構成されている。車椅子１を後退させる際には、操作レバー１６ｄによりラチェット歯１６を係合位置から離脱位置に切り替える。尚、ラチェット機構は省略してもよい。
【００３７】
次に、図４に基づいて登り勾配路における車椅子の発進、走行時の力の関係について説明する。登り勾配路の角度をθとする。
【００３８】
Ｆは、車椅子１の発進、走行時に必要な力を示す。
【００３９】
Ｗは車椅子１の総重量である。車椅子１の総重量は、車椅子１の単体の重量と、搭乗者の体重と、荷物等の重量とを合わせた重量である。
【００４０】
Ｐｗは、搭乗者及び荷物を含む車椅子１が登り勾配路を路面に沿って下ろうとする力であり、Ｐｗ＝Ｗ×ｓｉｎθである。
【００４１】
Ｎは、Ｗの登り勾配路に対する垂直分力であり、Ｎ＝Ｗ×ｃｏｓθである。
【００４２】
転がり抵抗係数をμとする。一般的な車椅子１の車輪１１、１２とアスファルト舗装路面との間では、発進時に０．０２（＝μ１）程度、走行時に０．０１（＝μ２）程度になる。μ１は静止摩擦係数であり、μ２は動摩擦係数である。
【００４３】
登り勾配路で静止状態にある車椅子１が発進する時の転がり抵抗力（発進時転がり抵抗力）をＲｍａｘとする。Ｒｍａｘ＝μ１×Ｎ＝μ１×Ｗ×ｃｏｓθである。Ｒｍａｘは、最大静止摩擦力ということもできる。
【００４４】
登り勾配路で車椅子１が走行している時の転がり抵抗力（走行時転がり抵抗力）をＲｒとする。Ｒｒ＝μ２×Ｎ＝μ２×Ｗ×ｃｏｓθである。Ｒｒは、動摩擦力ということもできる。
【００４５】
登り勾配路がアスファルト舗装路面であり、Ｗが１００ｋｇｆ（車椅子１の重量が２０ｋｇｆ、搭乗者及び荷物の重量が８０ｋｇｆ）とした場合に発進時及び走行時に必要な力は以下の通りとなる。発進時のμを０．０２（＝μ１）、走行時のμを０．０１（＝μ２）とする。
【００４６】
１．平坦路（θ＝０゜）
発進時  Ｆ＝Ｒｍａｘ＝０．０２×１００＝２．０ｋｇｆ
走行時  Ｆ＝Ｒｒ＝０．０１×１００＝１．０ｋｇｆ
２．登り勾配路（θ＝１４゜）
発進時  Ｆ＝Ｐｗ＋Ｒｍａｘ＝Ｗ×ｓｉｎ１４゜＋μ１×Ｗ×ｃｏｓθ
＝１００×０．２４１９２＋０．０２×１００×０．９７０３
＝２６．１ｋｇｆ
走行時  Ｆ＝Ｐｗ＋Ｒｒ＝Ｗ×ｓｉｎ１４゜＋μ２×Ｗ×ｃｏｓθ
＝１００×０．２４１９２＋０．０１×１００×０．９７０３
＝２５．２ｋｇｆ
【００４７】
実際には、路面の状況や後輪１１の空気圧等による影響があるので、上記計算の通りではないが、参考として電動モータ２５の出力を決定する際に使用することができる。
【００４８】
図５は、車椅子１が登り勾配路を発進及び走行するときに要する力を説明する図であり、登り勾配路において静止状態から発進して走行する場合を示している。縦軸は、発進時及び走行時に必要な力である。横軸は、静止状態にある車椅子１が発進して走行状態となるまでを示している。静止状態にある車椅子１が発進するまでは、前進方向の操作力を加えても静止摩擦力の方が大きいので、車椅子１の静止状態が維持される。そして、前進方向の操作力が最大静止摩擦力を超えると、車椅子１が発進し、その後は、最大静止摩擦力未満である動摩擦力を超える操作力によって車椅子１を動かし続けることができる。
【００４９】
図６は、登り勾配路における車椅子１の操作力と、補助力発生装置２が発生する補助力との関係を示している。横軸と縦軸は図５と同じである。この図に示すように、補助力発生装置２が発生する力（補助力）は、登り勾配路の角度がθであるときに車椅子１が登り方向に動き出す力未満、即ち、発進時転がり抵抗力未満とし、かつ、静止状態から走行状態まで一定の力としている。よって、補助力は車椅子１の速度とは無関係になる。例えば、静止状態の車椅子１を発進させる際の操作力が５ｋｇｆよりも小さくなるように、補助力の大きさを設定しておくことができる。
【００５０】
次に、制御装置２０について説明する。制御装置２０は、図示しない中央演算処理装置（ＣＰＵ）及び記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）を有するマイクロコンピュータで構成されており、記憶装置に予め記憶されているプログラムに従って動作するように構成されている。プログラムは、以下に記載するように制御装置２０を作動させるものである。
【００５１】
図２に示すように、制御装置２０には、傾斜センサ２１と、操作ボタン２２と、バッテリ２４と、電動モータ２５とが接続されている。図示しないが、電源ボタンの操作によって制御装置２０の電源がＯＮになると以下の動作を行うように構成されている。
【００５２】
傾斜センサ２１は、車椅子が走行する走行路の傾斜状態を所定間隔で測定し、測定値を随時、制御装置２０に出力しており、制御装置２０は傾斜センサ２１から出力される測定値に基づいて所定の演算式により、車椅子１が走行する走行路の傾斜角度、即ち勾配を求める。これは従来から周知の手法を利用することができる。
【００５３】
また、制御装置２０は操作ボタン２２の操作状態を検出し、操作ボタン２２で選択されたモードがどのモードであるかを得ることができるようになっている。
【００５４】
また、制御装置２０が有する記憶装置には、車椅子１の総重量（Ｗ）を入力して記憶させることが可能になっている。車椅子１の総重量（Ｗ）は、例えば操作ボタン２２の操作によって数値で入力することができるようにしてもよいし、操作ボタン２２によって数値を選択することによって入力することができるようにしてもよい。また制御装置２０に外部入力機器を接続可能に構成し、外部入力機器を介して車椅子１の総重量（Ｗ）を制御装置２０の記憶装置に入力することもできる。
【００５５】
制御装置２０は、傾斜センサ２１で検出された車椅子１の走行路の傾斜状態（傾斜角度または勾配）及び車椅子１の総重量に基づいて補助力を決定し、電動モータ２５が、決定された補助力を発生するように、電動モータ２５を制御する。補助力の決定に際して、制御装置２０は、傾斜センサ２１で検出された車椅子１の走行路の傾斜状態が登り勾配であるか否かを判定する。制御装置２０は、傾斜センサ２１で検出された車椅子１の走行路の傾斜状態が登り勾配であると判定された場合には、所定の勾配範囲内で補助力が一定となるように、かつ、当該補助力が、所定の勾配範囲内の走行路で静止状態にある車椅子１が登り方向に動き出す力未満となるように決定する。電動モータ２５の出力制御は、電動モータ２５に供給する電流値等によって行うことができ、この制御手法は従来から周知である。
【００５６】
具体的には、図７に示すように、車椅子１の走行路の傾斜角度（゜）を０゜〜１４゜まで１゜きざみで表したテーブルが記憶装置に記憶されている。車椅子１の走行路の傾斜角度（゜）は、勾配（％）で表すこともできる。図７では、説明のため、傾斜角度（゜）と勾配（％）を併記しているが、いずれか一方のみであってもよい。例えば、制御装置２０が、傾斜センサ２１で検出された車椅子１の走行路の傾斜状態から傾斜角度（゜）を得る場合には、傾斜角度（゜）のみ表せばよく、また制御装置２０が、傾斜センサ２１で検出された車椅子１の走行路の傾斜状態から勾配（％）を得る場合には、勾配（％）のみ表せばよい。
【００５７】
図７に示す「発進（ｋｇｆ）」は上記式Ｐｗ＋Ｒｍａｘのことであり、予め入力されたＷを使用してθを０゜〜１４゜まで１゜きざみで変化させて算出した値である。図７に示す「走行（ｋｇｆ）」は上記式Ｐｗ＋Ｒｒのことであり、予め入力されたＷを使用してθを０゜〜１４゜まで１゜きざみで変化させて算出した値である。「発進（ｋｇｆ）」及び「走行（ｋｇｆ）」の各値は、制御装置２０により上記式に基づいて算出してもよいし、予め計算しておき、制御装置２０の記憶装置に入力するようにしてもよい。尚、Ｗは１００ｋｇｆとしているが、これは入力された別の値に置き換えて計算することができる。
【００５８】
図７の太字で示す数値は、その傾斜角度における発進時に必要な力、即ち、「発進（ｋｇｆ）」である。例えば、傾斜角度（゜）が２゜のときには５．５ｋｇｆであり、傾斜角度（゜）が１４゜のときには２６．１ｋｇｆである。図７の白抜きの三角形を付した数値は補助力であり、例えば、傾斜角度（゜）が２゜のときには４．０ｋｇｆとする。傾斜角度（゜）が３゜、４゜、５゜のときには５．７ｋｇｆとし、傾斜角度（゜）が６゜、７゜、８゜のときには１０．９ｋｇｆとし、傾斜角度（゜）が９゜、１０゜、１１゜のときには１６．１ｋｇｆとし、傾斜角度（゜）が１２゜、１３゜、１４゜のときには２１．１ｋｇｆとしている。
【００５９】
つまり、２゜〜１４゜の大範囲を４つの小範囲（所定の勾配範囲）に分割することにより、３゜〜５゜の第１勾配範囲と、６゜〜８゜の第２勾配範囲と、９゜〜１１゜の第３勾配範囲と、１２゜〜１４゜の第４勾配範囲とを設ける。そして、第１勾配範囲、第２勾配範囲、第３勾配範囲及び第４勾配範囲の各範囲内では、補助力が変化しないように一定にしている。尚、大範囲の下限は２゜に限られるものではなく、１゜や３゜としてもよい。また大範囲の上限は１４゜に限られるものではなく、１３゜や１５゜としてもよい。また大範囲を３つに分割してもよいし、５つ以上に分割してもよい。また小範囲は３゜を超えていてもよいし、３゜未満であってもよく、任意に設定することができる。
【００６０】
図７に示すように、傾斜角度（゜）が２゜のときにおける発進時に必要な力は、５．５ｋｇｆであることから、補助力が４．０ｋｇｆであれば車椅子１は発進しない。傾斜角度（゜）が２゜のときに静止状態にある車椅子１を発進させるためには、５．５ｋｇｆ−４．０ｋｇｆ＝１．５ｋｇｆの力が必要になり、これが、操作者が加える必要のある力となる。操作者が加える必要のある力を白抜きの四角形を付した数値で示している。尚、図７において傾斜角度（゜）が０゜及び１゜では、車椅子１の走行路の勾配が０または極めて緩やかな勾配であるため、補助力は０として電動モータ２５への電流の供給を停止しているが、小さな補助力を発生させるようにしてもよい。
【００６１】
従って、制御装置２０は、例えば傾斜センサ２１により傾斜角度（゜）が９゜（勾配１５．８４％）であることを検出したら、補助力を１６．１ｋｇｆに決定し、電動モータ２５のトルクが１６．１ｋｇｆに相当する補助力を発生するトルクとなるように、当該電動モータ２５に電流を供給する。この補助力は、傾斜角度（゜）が９゜の走行路で静止状態にある車椅子１が登り方向に動き出す力未満であるため、車椅子１が登り方向には動かない。また図３に示すギヤ１１ｃ及びラチェット歯１６の係合により、車椅子１が下り方向にも動かない。よって、車椅子１の静止状態が維持される。
【００６２】
搭乗者がハンドリム１１ａを前進方向（登り方向）に操作するか、介助者がハンドル１５を持って前進方向に押すことによって１．５ｋｇｆを超える力を加えると、車椅子１が登り方向に発進する。走行中に傾斜角度（゜）が１０゜や１１゜になっても補助力は変化しない。また車椅子１の速度が上昇しても電動モータ２５による補助力は変化しないので、増速させるためには操作力を高める必要がある。また傾斜角度（゜）が１２゜になると、補助力は２１．１ｋｇｆに増加し、傾斜角度（゜）が８゜になると補助力は１０．９ｋｇｆに減少する。走行中に傾斜角度（゜）が０゜、１゜になると、電動モータ２５への電流の供給が停止する。
【００６３】
また、車椅子１の速度を検出する車速センサ（図示せず）を設けることができる。車速センサは従来から周知のものを使用することができる。この場合、車椅子１が走行中であるか否か、及び停止中であるか否かを制御装置２０にて検出することができる。例えば、走行中の車椅子１が停止すると、所定時間（例えば３秒後）後に電動モータ２５への電流の供給を停止する制御を行うことができる。
【００６４】
また、制御装置２０は、車椅子１が下り方向に動き出すのを阻止する力以上となるように補助力を決定することもできる。
【００６５】
また、後輪１１の空気圧が減少した場合のように、走行抵抗が増加した場合には、補助力を増加させるようにしてもよい。例えば操作ボタン２２により、高アシストモードを選択可能にしておき、高アシストモードが選択されると、補助力を増加させるように制御装置２０が補助力を決定する。高アシストモード用のテーブルとして、図７に示すようなテーブルを記憶装置に記憶させておくことができる。補助力が異なるアシストモードを複数選択可能にすることができる。
【００６６】
（実施形態の作用効果）
以上説明したように、この実施形態に係る補助力発生装置付き車椅子１によれば、当該車椅子１の総重量と、走行路の傾斜状態とに基づいて制御装置２０が補助力を決定できる。そして、電動モータ２５は決定された補助力を発生するので、搭乗者または介助者の操作力が少なくて済む。
【００６７】
このとき設定された補助力は、静止状態にある車椅子１が動き出す力未満であるため、従来の電動式車椅子のように駆動力の１００％を電動モータで発生させる場合に比べると、バッテリを含めた駆動系の重量が軽減されるとともに、価格が安価になる。また、搭乗者が進みたい方向にハンドリム１１ａを操作しなければ静止状態にある車椅子が動かないので、従来の電動式車椅子に比べて操作が直感的で操作性が良好になる。
【００６８】
さらに、所定の勾配範囲内では、加えられた操作力の大小に関わらず補助力が一定であるため、車椅子１の速度を増加させようとした場合には、その分、搭乗者または介助者による操作力を大きくすればよく、特に手動式車椅子から乗り換えたときに速度のコントロール性が良好になる。
【００６９】
上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
以上説明したように、本発明に係る補助力発生装置付き車椅子は、例えば足が不自由な人や高齢者等が移動するのに使用することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１              補助力発生装置付き車椅子
２              補助力発生装置
２０            制御装置
２１            傾斜センサ（傾斜状態検出センサ）
２４            バッテリ
２５            電動モータ
【図１】
2019141255.tif 000003
【図２】
2019141255.tif 000004
【図３】
2019141255.tif 000005
【図４】
2019141255.tif 000006
【図５】
2019141255.tif 000007
【図６】
2019141255.tif 000008
【図７】
2019141255.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成30年7月6日(2018.7.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、補助力発生装置付き車椅子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、足が不自由な人や高齢者等が使用する車椅子として、搭乗者が自らハンドリムを操作して車輪を回転させる手動式車椅子と、搭乗者が操作レバーを操作して電動モータの力によって車輪を回転させる電動式車椅子とがある。手動式車椅子の場合、高齢者や上半身の筋力が衰えた人にとって坂道を登るのが困難であり、このような人のために電動式車椅子を使用することがある。しかし、電動式車椅子は、重量が重くなるとともに、高価であり、しかも操作の際には周囲に対する細やかな安全確認と操作に対する慣れも必要になり、普及には課題が多い。
【０００３】
そこで、手動式車椅子をベースとして電動モータやバッテリ等を搭載して操作者のアシストを行う補助力発生装置付き車椅子が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の補助力発生装置付き車椅子は、ハンドリムに加えられた人力の大きさをセンサによって検出し、このセンサによって検出した人力の大きさに比例した補助力を電動モータで発生させることにより、操作力を軽減するように構成されている。また、センサが人力を検出しないときには、車椅子の車輪の位置を検出し、車輪の位置が変化しないように電動モータの出力を制御している。具体的には、センサが人力を検出した場合には、予め設定された人力と補助力との比率から必要とされる補助力の大きさを算出して電動モータを制御するパワーアシスト制御を行う一方、センサが人力を検出しない場合には、予め入力されている搭乗者の体重及び車椅子の重量と、車椅子が停止している地点の傾斜角とから、その地点で車椅子を停車させておくのに必要な力を算出して電動モータを制御する停止位置保持制御を行うように構成されている。
【０００４】
また、特許文献２にはパワーアシスト付運搬車が開示されている。特許文献２のパワーアシスト付運搬車は、操作部に加えられた外力を検出し、検出された外力に応じたアシスト力を駆動源に発生させるように構成されている。
【０００５】
さらに、特許文献３には補助力発生装置付き車両が開示されている。特許文献３の補助力発生装置付き車両は、人力駆動力を検出し、検出した人力駆動力に所定の補助力比率を乗算して人力駆動力を補助する補助力を得た後、この補助力が得られるように電動モータを制御するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１７３３８４号公報
【特許文献２】特開平８−２８２４９８号公報
【特許文献３】特開２００２−１４５１６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１の補助力発生装置付き車椅子では、ハンドリムに加えられた人力の大きさに比例した補助力を電動モータで発生させて操作力の軽減を図るものなので、従来の電動式車椅子のように駆動力の１００％を電動モータで発生させる場合に比べると、バッテリを含めた駆動系の重量を軽減することができるとともに、価格を低減することができ、また搭乗者が進みたい方向にハンドリムを操作しなければ車椅子が動かないので、電動式車椅子に比べて操作が直感的で操作性が良好であると考えられる。
【０００８】
しかしながら、特許文献１の場合、操作者の操作力を検出するセンサを設ける必要があるとともに、そのセンサによって検出された操作力に基づいて補助力を発生させるので、安全上、常に正確な検出値を出力させる必要があり、車椅子のコスト高の要因となる。また、センサによって検出した人力の大きさに比例した補助力を電動モータで発生させる制御を行っているが、加えられる力は常に変化しており、特にハンドリムを操作する場合には人力の変動幅が大きく、安全を確保した上での補助力の演算は複雑化するという問題がある。
【０００９】
また、操作者が車椅子の速度を増加させようとした場合、加えられた人力の大きさに比例した補助力が電動モータによって加えられるので、少ない力で増速させることができる反面、手動式車椅子から乗り換えた場合に速度が急に増加しやすく、速度のコントロール性が良好であるとは言い難い面がある。これを解決しようとすると、センサ及び電動モータの応答速度、制御装置の演算速度を高める必要があるとともに、制御が複雑化してしまう。
【００１０】
特許文献２、３の車両においても、外力を検出するセンサや人力駆動力を検出するセンサの検出値に基づいて補助力が算出されるので、車椅子の補助力発生装置に適用しようとした場合には特許文献１と同様な問題が生じ得ると考えられる。
【００１１】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、搭乗者や介助者が加える力の検出を不要して簡単な構成及び制御内容としながら車椅子の操作力を軽減し、かつ、速度のコントロール性の良好な車椅子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、第１の発明は、搭乗者の操作力を補助する補助力を発生する補助力発生装置を備えた補助力発生装置付き車椅子において、前記補助力発生装置は、電動モータと、該電動モータに電力を供給するバッテリと、前記車椅子が走行する走行路の傾斜状態を検出する傾斜状態検出センサと、該傾斜状態検出センサで検出された前記走行路の傾斜状態及び前記車椅子の総重量に基づいて前記補助力を決定し、前記電動モータが前記補助力を発生するように前記電動モータを制御する制御装置とを備え、複数の互いに異なる勾配範囲が予め設定されており、前記制御装置は、前記傾斜状態検出センサで検出された前記走行路の傾斜状態が登り勾配であると判定された場合に、各勾配範囲内で前記補助力が一定となるように、かつ、当該補助力が、前記各勾配範囲内の前記走行路で静止状態にある前記車椅子が登り方向に動き出す力未満となるように決定し、当該決定された補助力を、前記車椅子の停止時及び走行時に発生するように前記電動モータを制御するように構成されていることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、車椅子の重量、搭乗者の重量及び荷物等の重量を合わせた重量が車椅子の総重量となり、この車椅子の総重量と、走行路の傾斜状態とに基づいて制御装置が補助力を決定する。そして、電動モータは補助力を発生するので、搭乗者または介助者の操作力が少なくて済む。
【００１４】
このとき設定された補助力は、静止状態にある車椅子が動き出す力未満であるため、電動式車椅子のように駆動力の１００％を電動モータで発生させる場合に比べると、バッテリを含めた駆動系の重量が軽減されるとともに、価格が安価になる。また、搭乗者が進みたい方向にハンドリムを操作しなければ静止状態にある車椅子が動かないので、電動式車椅子に比べて操作が直感的で操作性が良好になる。
【００１５】
さらに、所定の勾配範囲内では、加えられた操作力の大小に関わらず補助力が一定であるため、車椅子の速度を増加させようとした場合には、その分、搭乗者または介助者による操作力を大きくすればよく、特に手動式車椅子から乗り換えたときに速度のコントロール性が良好になる。
【００１６】
また、例えば走行路の登り勾配が緩い場合には補助力を小さくし、また走行路の登り勾配が急な場合には補助力を大きくすることができるので、走行路の傾斜状態に応じた補助力を得ることができる。
【００１７】
第２の発明は、前記制御装置は、前記傾斜状態検出センサで検出された前記走行路の傾斜状態が登り勾配であると判定された場合に、前記車椅子が下り方向に動き出すのを阻止する力を前記補助力とすることを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、例えば登り勾配の走行路に車椅子を停止させているときに、当該車椅子が下り方向に動き出さないように補助力を加えることができるので、車椅子の操作性及び安全性を高めることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、走行路の傾斜状態が登り勾配である場合に、所定の勾配範囲内で補助力が変化しないように、かつ、当該補助力が、静止状態にある車椅子が動き出す力未満となるように決定し、当該決定された補助力を発生するように電動モータを制御することができる。これにより、搭乗者や介助者が加える力の検出を不要して簡単な構成及び制御内容としながら車椅子の操作力を軽減することができ、しかも、速度のコントロール性を良好にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る補助力発生装置付き車椅子を前方から見た斜視図である。
【図２】補助力発生装置のブロック図である。
【図３】ラチェット機構の概略構成図である。
【図４】登り勾配路における車椅子の発進、走行時の力の関係図である。
【図５】車椅子が登り勾配路を発進及び走行するときに要する力を説明する図である。
【図６】登り勾配路における操作力と補助力との関係を示す図である。
【図７】傾斜角度が０゜〜１４゜の範囲における操作力と補助力との関係を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００２２】
図１は、本発明の実施形態に係る補助力発生装置付き車椅子１（単に「車椅子」ともいう。）を前方から見た斜視図であり、図２は、前記車椅子１が備えている補助力発生装置２のブロック図である。補助力発生装置２は、搭乗者または介助者の操作力を補助するための補助力を発生する装置である。
【００２３】
図１に示すように、前記車椅子１は、フレーム１０と、左右の後輪１１、１１及び前輪１２、１２と、搭乗者が着座する着座部１３とを有している。フレーム１０は、例えば金属製のパイプ材等を組み合わせてなるものであり、従来の手動式車椅子と同様に折り畳み可能に構成されている。折り畳み構造は、特に限定されるものではなく、従来から用いられる構造を適用することができる。左右の後輪１１、１１は、フレーム１０の着座部１３の両側方にそれぞれ配置されており、当該フレーム１０に対して水平方向（車椅子１の左右方向）に延びる軸周りに回転可能に取り付けられている。すなわち、図３に示すように、水平方向に延びるシャフト１１ｂが後輪１１の中心部に結合されて一体化されており、このシャフト１１ｂがフレーム１０に対して回転可能に支持されている。
【００２４】
各後輪１１には、前記軸周りに延びる円環状のハンドリム１１ａが固定されている。ハンドリム１１ａは、着座部１３に着座した搭乗者が手で操作するための部材であり、搭乗者がハンドリム１１ａを握って前方向に回すことで車椅子１に前進方向の操作力が加わり、また搭乗者がハンドリム１１ａを握って後方向に回すことで車椅子１に後退方向の操作力が加わる。
【００２５】
前輪１２は従動輪であり、フレーム１０の前部に対して鉛直軸周りに旋回自在に取り付けられている。
【００２６】
フレーム１０の左右両側には、ハンドブレーキ１４がそれぞれ取り付けられている。ハンドブレーキ１４は、従来の手動式車椅子にも取り付けられている部材であり、搭乗者が押動操作することよって後輪１１に接触し、そのときに発生する摩擦力を利用してブレーキ力を得ることができるように構成されている。
【００２７】
フレーム１０の後部には、介助者が持つハンドル１５が左右にそれぞれ設けられている。ハンドル１５には、ブレーキレバー（図示せず）を設けることができる。このブレーキレバーの操作によって後輪１１にブレーキをかけることができる。このブレーキは従来から周知である。介助者がハンドル１５を持って前方へ押すと車椅子１に前進方向の操作力が加わり、また介助者がハンドル１５を持って後方へ引くと車椅子１に後退方向の操作力が加わる。すなわち、車椅子１には、搭乗者がハンドリム１１ａを操作することによる操作力と、介助者がハンドル１５を操作することによる操作力とのいずれか一方または両方を加えることができる。また搭乗者及び介助者が前記車椅子１の操作者となる。
【００２８】
図２に示すように、補助力発生装置２は、制御装置２０と、傾斜センサ２１（傾斜状態検出センサ）と、操作ボタン２２と、バッテリ２４と、電動モータ２５とを少なくとも備えている。傾斜センサ２１は、車椅子が走行する走行路の傾斜状態を検出するセンサであり、図１に示すようにフレーム１１に取り付けることができる。尚、傾斜センサ２１は、着座部１３やハンドル１５に取り付けるようにしてもよい。
【００２９】
傾斜センサ２１は、従来から周知のものを使用することができ、例えば振り子を利用したセンサや、重力加速度を測定して鉛直線に対する傾きや水平線に対する傾きを求めるセンサ等を挙げることができる。傾斜センサ２１は制御装置２０に接続されており、所定間隔（例えば０．１秒毎）で傾斜状態を測定し、その測定値を直ちに制御装置２０に出力するように構成されている。傾斜センサ２１の設置方向の設定及び測定値の演算により、車椅子１が走行する走行路の傾斜角度、即ち勾配を求めることができ、傾斜角度、勾配は、制御装置２０によって得ることができる。
【００３０】
操作ボタン２２は、登りモード、平地モード、下りモードのうち、１つのモードを選択するためのボタンである。図１では、操作ボタン２２が、左右のハンドル１５及び着座部１３の左右のアームレスト１３ａに設けられている場合を示しているが、これらのうち、１箇所にのみ操作ボタン２２を設けてもよいし、任意の２箇所または３箇所に操作ボタン２２を設けてもよい。またモード選択は省略してもよい。
【００３１】
登りモードは、走行路が登り勾配路である場合に選択するモードであり、平地モードに比べて補助力を大きくするモードである。また平地モードは、走行路が勾配を有していない場合に選択するモードである。また下りモードは、走行路が下り勾配路である場合に選択するモードであり、補助力を発生させないモードである。尚、この実施形態では、傾斜センサ２１から出力される測定値に基づいて走行路の勾配を得ることができるので、前記モードの選択は、例えば傾斜センサ２１から出力される測定値に基づいて自動で行うようにしてもよい。すなわち、傾斜センサ２１から出力される測定値に基づいて得られる走行路の勾配が登り勾配である場合には登りモードを選択し、また傾斜センサ２１から出力される測定値に基づいて得られる走行路の勾配がほぼ０である場合には平地モードを選択し、また傾斜センサ２１から出力される測定値に基づいて得られる走行路の勾配が下り勾配である場合には下りモードを選択する。また、操作ボタン２２は、補助力発生装置２の電源をＯＮ、ＯＦＦする電源ボタンを備えていてもよい。
【００３２】
バッテリ２４は、電動モータ２５に電力を供給するための二次電池であり、例えばリチウムイオン電池等である、バッテリ２４は、図１に示すようにフレーム１１の後部に着脱可能に取り付けられている。バッテリ２４をフレーム１１の後部に取り付けることにより、交換時の作業性が良好になる。
【００３３】
電動モータ２５は、後述する補助力を発生させることができる程度の出力を有している。電動モータ２５は例えばフレーム１０に固定されている。電動モータ２５の出力軸には例えば減速歯車（図示せず）が設けられている。電動モータ２５の出力は、減速歯車を介して前記車輪１１に結合されているシャフト１１ｂ（図３に示す）に伝達される。電動モータ２５の出力軸と、シャフト１１ｂとの間には、例えば手動式のクラッチ（図示せず）を設けることができる。電動モータ２５による補助力が必要な時にはクラッチを接続状態にし、補助力が不要な時にはクラッチを非接続状態にすればよい。
【００３４】
図３に示すように、シャフト１１ｂにはギヤ１１ｃが結合されている。ギヤ１１ｃには、ラチェット歯１６が噛み合うようになっている。ラチェット歯１６は、フレーム１０における後輪１１の支持部分近傍に対して左右方向に延びるピン１６ａ周りに揺動可能に設けられており、ピン１６ａ周りに揺動することにより、図３に実線で示すようにギヤ１１ｃの歯に噛み合って該ギヤ１１ｃに係合した位置（係合位置）と、同図に仮想線で示すようにギヤ１１ｃの歯から離れて該ギヤ１１ｃから離脱した位置（離脱位置）とに切り替えられる。ラチェット歯１６は、引っ張りバネ１６ｂによってギヤ１１ｃの歯に噛み合う方向に常時付勢されている。また、ラチェット歯１６には、操作レバー１６ｄが設けられている。搭乗者や介助者が操作レバー１６ｄを操作することより、ラチェット歯１６を係合位置と、離脱位置とに切り替えることができる。
【００３５】
図３に示す「前」は車椅子１の前進方向である。矢印Ａで示す方向は、後輪１１が車椅子１の前進方向に回転した場合のギヤ１１ｃの回転方向であり、ラチェット歯１６は、ギヤ１１ｃが矢印Ａ方向に回転することは許容し、ギヤ１１ｃが矢印Ａと反対方向に回転することは阻止するように、当該歯の形状及び位置が設定されている。つまり、ギヤ１１ｃ及びラチェット歯１６により、車椅子１の前進を許容しかつ後退を阻止するラチェット機構が構成されている。車椅子１を後退させる際には、操作レバー１６ｄによりラチェット歯１６を係合位置から離脱位置に切り替える。尚、ラチェット機構は省略してもよい。
【００３６】
次に、図４に基づいて登り勾配路における車椅子の発進、走行時の力の関係について説明する。登り勾配路の角度をθとする。
【００３７】
Ｆは、車椅子１の発進、走行時に必要な力を示す。
【００３８】
Ｗは車椅子１の総重量である。車椅子１の総重量は、車椅子１の単体の重量と、搭乗者の体重と、荷物等の重量とを合わせた重量である。
【００３９】
Ｐｗは、搭乗者及び荷物を含む車椅子１が登り勾配路を路面に沿って下ろうとする力であり、Ｐｗ＝Ｗ×ｓｉｎθである。
【００４０】
Ｎは、Ｗの登り勾配路に対する垂直分力であり、Ｎ＝Ｗ×ｃｏｓθである。
【００４１】
転がり抵抗係数をμとする。一般的な車椅子１の車輪１１、１２とアスファルト舗装路面との間では、発進時に０．０２（＝μ１）程度、走行時に０．０１（＝μ２）程度になる。μ１は静止摩擦係数であり、μ２は動摩擦係数である。
【００４２】
登り勾配路で静止状態にある車椅子１が発進する時の転がり抵抗力（発進時転がり抵抗力）をＲｍａｘとする。Ｒｍａｘ＝μ１×Ｎ＝μ１×Ｗ×ｃｏｓθである。Ｒｍａｘは、最大静止摩擦力ということもできる。
【００４３】
登り勾配路で車椅子１が走行している時の転がり抵抗力（走行時転がり抵抗力）をＲｒとする。Ｒｒ＝μ２×Ｎ＝μ２×Ｗ×ｃｏｓθである。Ｒｒは、動摩擦力ということもできる。
【００４４】
登り勾配路がアスファルト舗装路面であり、Ｗが１００ｋｇｆ（車椅子１の重量が２０ｋｇｆ、搭乗者及び荷物の重量が８０ｋｇｆ）とした場合に発進時及び走行時に必要な力は以下の通りとなる。発進時のμを０．０２（＝μ１）、走行時のμを０．０１（＝μ２）とする。
【００４５】
１．平坦路（θ＝０゜）
発進時  Ｆ＝Ｒｍａｘ＝０．０２×１００＝２．０ｋｇｆ
走行時  Ｆ＝Ｒｒ＝０．０１×１００＝１．０ｋｇｆ
２．登り勾配路（θ＝１４゜）
発進時  Ｆ＝Ｐｗ＋Ｒｍａｘ＝Ｗ×ｓｉｎ１４゜＋μ１×Ｗ×ｃｏｓθ
＝１００×０．２４１９２＋０．０２×１００×０．９７０３
＝２６．１ｋｇｆ
走行時  Ｆ＝Ｐｗ＋Ｒｒ＝Ｗ×ｓｉｎ１４゜＋μ２×Ｗ×ｃｏｓθ
＝１００×０．２４１９２＋０．０１×１００×０．９７０３
＝２５．２ｋｇｆ
【００４６】
実際には、路面の状況や後輪１１の空気圧等による影響があるので、上記計算の通りではないが、参考として電動モータ２５の出力を決定する際に使用することができる。
【００４７】
図５は、車椅子１が登り勾配路を発進及び走行するときに要する力を説明する図であり、登り勾配路において静止状態から発進して走行する場合を示している。縦軸は、発進時及び走行時に必要な力である。横軸は、静止状態にある車椅子１が発進して走行状態となるまでを示している。静止状態にある車椅子１が発進するまでは、前進方向の操作力を加えても静止摩擦力の方が大きいので、車椅子１の静止状態が維持される。そして、前進方向の操作力が最大静止摩擦力を超えると、車椅子１が発進し、その後は、最大静止摩擦力未満である動摩擦力を超える操作力によって車椅子１を動かし続けることができる。
【００４８】
図６は、登り勾配路における車椅子１の操作力と、補助力発生装置２が発生する補助力との関係を示している。横軸と縦軸は図５と同じである。この図に示すように、補助力発生装置２が発生する力（補助力）は、登り勾配路の角度がθであるときに車椅子１が登り方向に動き出す力未満、即ち、発進時転がり抵抗力未満とし、かつ、静止状態から走行状態まで一定の力としている。よって、補助力は車椅子１の速度とは無関係になる。例えば、静止状態の車椅子１を発進させる際の操作力が５ｋｇｆよりも小さくなるように、補助力の大きさを設定しておくことができる。
【００４９】
次に、制御装置２０について説明する。制御装置２０は、図示しない中央演算処理装置（ＣＰＵ）及び記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）を有するマイクロコンピュータで構成されており、記憶装置に予め記憶されているプログラムに従って動作するように構成されている。プログラムは、以下に記載するように制御装置２０を作動させるものである。
【００５０】
図２に示すように、制御装置２０には、傾斜センサ２１と、操作ボタン２２と、バッテリ２４と、電動モータ２５とが接続されている。図示しないが、電源ボタンの操作によって制御装置２０の電源がＯＮになると以下の動作を行うように構成されている。
【００５１】
傾斜センサ２１は、車椅子が走行する走行路の傾斜状態を所定間隔で測定し、測定値を随時、制御装置２０に出力しており、制御装置２０は傾斜センサ２１から出力される測定値に基づいて所定の演算式により、車椅子１が走行する走行路の傾斜角度、即ち勾配を求める。これは従来から周知の手法を利用することができる。
【００５２】
また、制御装置２０は操作ボタン２２の操作状態を検出し、操作ボタン２２で選択されたモードがどのモードであるかを得ることができるようになっている。
【００５３】
また、制御装置２０が有する記憶装置には、車椅子１の総重量（Ｗ）を入力して記憶させることが可能になっている。車椅子１の総重量（Ｗ）は、例えば操作ボタン２２の操作によって数値で入力することができるようにしてもよいし、操作ボタン２２によって数値を選択することによって入力することができるようにしてもよい。また制御装置２０に外部入力機器を接続可能に構成し、外部入力機器を介して車椅子１の総重量（Ｗ）を制御装置２０の記憶装置に入力することもできる。
【００５４】
制御装置２０は、傾斜センサ２１で検出された車椅子１の走行路の傾斜状態（傾斜角度または勾配）及び車椅子１の総重量に基づいて補助力を決定し、電動モータ２５が、決定された補助力を発生するように、電動モータ２５を制御する。補助力の決定に際して、制御装置２０は、傾斜センサ２１で検出された車椅子１の走行路の傾斜状態が登り勾配であるか否かを判定する。制御装置２０は、傾斜センサ２１で検出された車椅子１の走行路の傾斜状態が登り勾配であると判定された場合には、所定の勾配範囲内で補助力が一定となるように、かつ、当該補助力が、所定の勾配範囲内の走行路で静止状態にある車椅子１が登り方向に動き出す力未満となるように決定する。電動モータ２５の出力制御は、電動モータ２５に供給する電流値等によって行うことができ、この制御手法は従来から周知である。
【００５５】
具体的には、図７に示すように、車椅子１の走行路の傾斜角度（゜）を０゜〜１４゜まで１゜きざみで表したテーブルが記憶装置に記憶されている。車椅子１の走行路の傾斜角度（゜）は、勾配（％）で表すこともできる。図７では、説明のため、傾斜角度（゜）と勾配（％）を併記しているが、いずれか一方のみであってもよい。例えば、制御装置２０が、傾斜センサ２１で検出された車椅子１の走行路の傾斜状態から傾斜角度（゜）を得る場合には、傾斜角度（゜）のみ表せばよく、また制御装置２０が、傾斜センサ２１で検出された車椅子１の走行路の傾斜状態から勾配（％）を得る場合には、勾配（％）のみ表せばよい。
【００５６】
図７に示す「発進（ｋｇｆ）」は上記式Ｐｗ＋Ｒｍａｘのことであり、予め入力されたＷを使用してθを０゜〜１４゜まで１゜きざみで変化させて算出した値である。図７に示す「走行（ｋｇｆ）」は上記式Ｐｗ＋Ｒｒのことであり、予め入力されたＷを使用してθを０゜〜１４゜まで１゜きざみで変化させて算出した値である。「発進（ｋｇｆ）」及び「走行（ｋｇｆ）」の各値は、制御装置２０により上記式に基づいて算出してもよいし、予め計算しておき、制御装置２０の記憶装置に入力するようにしてもよい。尚、Ｗは１００ｋｇｆとしているが、これは入力された別の値に置き換えて計算することができる。
【００５７】
図７の太字で示す数値は、その傾斜角度における発進時に必要な力、即ち、「発進（ｋｇｆ）」である。例えば、傾斜角度（゜）が２゜のときには５．５ｋｇｆであり、傾斜角度（゜）が１４゜のときには２６．１ｋｇｆである。図７の白抜きの三角形を付した数値は補助力であり、例えば、傾斜角度（゜）が２゜のときには４．０ｋｇｆとする。傾斜角度（゜）が３゜、４゜、５゜のときには５．７ｋｇｆとし、傾斜角度（゜）が６゜、７゜、８゜のときには１０．９ｋｇｆとし、傾斜角度（゜）が９゜、１０゜、１１゜のときには１６．１ｋｇｆとし、傾斜角度（゜）が１２゜、１３゜、１４゜のときには２１．１ｋｇｆとしている。
【００５８】
つまり、２゜〜１４゜の大範囲を４つの小範囲（所定の勾配範囲）に分割することにより、３゜〜５゜の第１勾配範囲と、６゜〜８゜の第２勾配範囲と、９゜〜１１゜の第３勾配範囲と、１２゜〜１４゜の第４勾配範囲とを設ける。そして、第１勾配範囲、第２勾配範囲、第３勾配範囲及び第４勾配範囲の各範囲内では、補助力が変化しないように一定にしている。尚、大範囲の下限は２゜に限られるものではなく、１゜や３゜としてもよい。また大範囲の上限は１４゜に限られるものではなく、１３゜や１５゜としてもよい。また大範囲を３つに分割してもよいし、５つ以上に分割してもよい。また小範囲は３゜を超えていてもよいし、３゜未満であってもよく、任意に設定することができる。
【００５９】
図７に示すように、傾斜角度（゜）が２゜のときにおける発進時に必要な力は、５．５ｋｇｆであることから、補助力が４．０ｋｇｆであれば車椅子１は発進しない。傾斜角度（゜）が２゜のときに静止状態にある車椅子１を発進させるためには、５．５ｋｇｆ−４．０ｋｇｆ＝１．５ｋｇｆの力が必要になり、これが、操作者が加える必要のある力となる。操作者が加える必要のある力を白抜きの四角形を付した数値で示している。尚、図７において傾斜角度（゜）が０゜及び１゜では、車椅子１の走行路の勾配が０または極めて緩やかな勾配であるため、補助力は０として電動モータ２５への電流の供給を停止しているが、小さな補助力を発生させるようにしてもよい。
【００６０】
従って、制御装置２０は、例えば傾斜センサ２１により傾斜角度（゜）が９゜（勾配１５．８４％）であることを検出したら、補助力を１６．１ｋｇｆに決定し、電動モータ２５のトルクが１６．１ｋｇｆに相当する補助力を発生するトルクとなるように、当該電動モータ２５に電流を供給する。この補助力は、傾斜角度（゜）が９゜の走行路で静止状態にある車椅子１が登り方向に動き出す力未満であるため、車椅子１が登り方向には動かない。また図３に示すギヤ１１ｃ及びラチェット歯１６の係合により、車椅子１が下り方向にも動かない。よって、車椅子１の静止状態が維持される。
【００６１】
搭乗者がハンドリム１１ａを前進方向（登り方向）に操作するか、介助者がハンドル１５を持って前進方向に押すことによって１．５ｋｇｆを超える力を加えると、車椅子１が登り方向に発進する。走行中に傾斜角度（゜）が１０゜や１１゜になっても補助力は変化しない。また車椅子１の速度が上昇しても電動モータ２５による補助力は変化しないので、増速させるためには操作力を高める必要がある。また傾斜角度（゜）が１２゜になると、補助力は２１．１ｋｇｆに増加し、傾斜角度（゜）が８゜になると補助力は１０．９ｋｇｆに減少する。走行中に傾斜角度（゜）が０゜、１゜になると、電動モータ２５への電流の供給が停止する。
【００６２】
また、車椅子１の速度を検出する車速センサ（図示せず）を設けることができる。車速センサは従来から周知のものを使用することができる。この場合、車椅子１が走行中であるか否か、及び停止中であるか否かを制御装置２０にて検出することができる。例えば、走行中の車椅子１が停止すると、所定時間（例えば３秒後）後に電動モータ２５への電流の供給を停止する制御を行うことができる。
【００６３】
また、制御装置２０は、車椅子１が下り方向に動き出すのを阻止する力以上となるように補助力を決定することもできる。
【００６４】
また、後輪１１の空気圧が減少した場合のように、走行抵抗が増加した場合には、補助力を増加させるようにしてもよい。例えば操作ボタン２２により、高アシストモードを選択可能にしておき、高アシストモードが選択されると、補助力を増加させるように制御装置２０が補助力を決定する。高アシストモード用のテーブルとして、図７に示すようなテーブルを記憶装置に記憶させておくことができる。補助力が異なるアシストモードを複数選択可能にすることができる。
【００６５】
（実施形態の作用効果）
以上説明したように、この実施形態に係る補助力発生装置付き車椅子１によれば、当該車椅子１の総重量と、走行路の傾斜状態とに基づいて制御装置２０が補助力を決定できる。そして、電動モータ２５は決定された補助力を発生するので、搭乗者または介助者の操作力が少なくて済む。
【００６６】
このとき設定された補助力は、静止状態にある車椅子１が動き出す力未満であるため、従来の電動式車椅子のように駆動力の１００％を電動モータで発生させる場合に比べると、バッテリを含めた駆動系の重量が軽減されるとともに、価格が安価になる。また、搭乗者が進みたい方向にハンドリム１１ａを操作しなければ静止状態にある車椅子が動かないので、従来の電動式車椅子に比べて操作が直感的で操作性が良好になる。
【００６７】
さらに、所定の勾配範囲内では、加えられた操作力の大小に関わらず補助力が一定であるため、車椅子１の速度を増加させようとした場合には、その分、搭乗者または介助者による操作力を大きくすればよく、特に手動式車椅子から乗り換えたときに速度のコントロール性が良好になる。
【００６８】
上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
以上説明したように、本発明に係る補助力発生装置付き車椅子は、例えば足が不自由な人や高齢者等が移動するのに使用することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１              補助力発生装置付き車椅子
２              補助力発生装置
２０            制御装置
２１            傾斜センサ（傾斜状態検出センサ）
２４            バッテリ
２５            電動モータ
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
搭乗者の操作力を補助する補助力を発生する補助力発生装置を備えた補助力発生装置付き車椅子において、
前記補助力発生装置は、電動モータと、該電動モータに電力を供給するバッテリと、前記車椅子が走行する走行路の傾斜状態を検出する傾斜状態検出センサと、該傾斜状態検出センサで検出された前記走行路の傾斜状態及び前記車椅子の総重量に基づいて前記補助力を決定し、前記電動モータが前記補助力を発生するように前記電動モータを制御する制御装置とを備え、
複数の互いに異なる勾配範囲が予め設定されており、
前記制御装置は、前記傾斜状態検出センサで検出された前記走行路の傾斜状態が登り勾配であると判定された場合に、各勾配範囲内で前記補助力が一定となるように、かつ、当該補助力が、前記各勾配範囲内の前記走行路で静止状態にある前記車椅子が登り方向に動き出す力未満となるように決定し、当該決定された補助力を、前記車椅子の停止時及び走行時に発生するように前記電動モータを制御するように構成されていることを特徴とする補助力発生装置付き車椅子。
【請求項２】
請求項１に記載の補助力発生装置付き車椅子において、
前記制御装置は、前記傾斜状態検出センサで検出された前記走行路の傾斜状態が登り勾配であると判定された場合に、前記車椅子が下り方向に動き出すのを阻止する力を前記補助力とすることを特徴とする補助力発生装置付き車椅子。