(57)【要約】【課題】他人を意識せずに容易に車椅子を操縦することを可能にする、操縦センサ及びこれを用いた車椅子駆動制御装置を提供する。【解決手段】操縦センサは１０、２つの連結紐１３と、傾斜面付き内部空間を有する２つのケース１１と、前記２つのケース１１の各々の傾斜面又はその対向面に取り付けられるＦＳＲセンサと、前記２つの連結紐１３の各々に連結され、外力によって前記２つのケース１１の各々の内部空間を上下に移動しながら前記ＦＳＲセンサを押圧する２つの押圧球１４と、前記２つの押圧球１４の各々が肩の動きに応じて対応する前記連結紐１３によって対応する前記ＦＳＲセンサを押圧しながら上下に移動するように、前記２つのケース１１を一定の間隔を置いて上着に着用できるように保持する着用ベルト１５とを含む。【選択図】図２ａ
2004290662.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
手を動かせない脊椎損傷障害者の肩の動きによって電動車椅子を操縦するためのセンサにおいて、
２つの連結紐と、傾斜面付き内部空間を有する２つのケースと、前記２つのケースの各々の傾斜面又はその対向面に取り付けられるＦＳＲ(Force Sensitive Resistor Sensor)センサと、前記２つの連結紐の各々に連結され、外力によって前記２つのケースの各々の内部空間を上下に移動しながら前記ＦＳＲセンサを押圧する２つの押圧球と、前記２つの押圧球の各々が肩の動きに応じて対応する前記連結紐によって対応する前記ＦＳＲセンサを押圧しながら上下に移動するように、前記２つのケースを一定の間隔を置いて上着に着用できるように保持する着用ベルトとを備えることを特徴とする肩の動きを用いた脊椎損傷障害者用電動車椅子操縦センサ。
【請求項２】
前記２つのケースの各々の内部空間は、同一幅の傾斜面が設けられ、上方に行くほど段々狭くなることを特徴とする請求項１記載の肩の動きを用いた脊椎損傷障害者用電動車椅子操縦センサ。
【請求項３】
前記２つの連結紐の各々は、一端が対応する前記押圧球に連結され、他端が前記着用ベルトに固定されることを特徴とする請求項１記載の動きを用いた脊椎損傷障害者用電動車椅子操縦センサ。
【請求項４】
手を動かせない脊椎損傷障害者の肩の動きによって車椅子を操縦するための操縦センサの信号を受信して前記車椅子の両輪を制御する車椅子駆動制御装置において、
前記操縦センサは、２つの連結紐と、傾斜面付き内部空間を有する２つのケースと、前記２つのケースの各々の傾斜面又はその対向面に取り付けられるＦＳＲ(Force Sensitive Resistor Sensor)センサと、前記２つの連結紐の各々に連結され、外力によって前記２つのケースの各々の内部空間を上下に移動しながら前記ＦＳＲセンサを押圧する２つの押圧球と、前記２つの押圧球の各々が肩の動きに応じて対応する前記連結紐によって対応する前記ＦＳＲセンサを押圧しながら上下に移動するように、前記２つのケースを一定の間隔を置いて上着に着用できるように保持する着用ベルトとを備えることを特徴とする肩の動きを用いた脊椎損傷障害者用電動車椅子操縦センサを用いた車椅子駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動きを感知する脊椎損傷障害者用電動車椅子の操縦センサ、及び前記操縦センサを用いて車椅子の駆動を制御する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
手を動かせない脊椎損傷障害者の殆どは全く車椅子を駆動することができず、常に補助者の力を借りているのが実情である。また、このような障害者が使用し易い操縦装置付き車椅子も求め難い状況である。このように、これまでは手を動かせない脊椎損傷障害者が容易に使用することが可能な車椅子はあまり多くないのが実情である。
【０００３】
従来の車椅子の中で、前記障害者のための車椅子としては、後頭部の支持部に接触式又は非接触式のスイッチを取り付け、障害者の頭部の動きを測定して車椅子を操縦する方式のものと、顎部分にジョイスティックを位置させて顎で車椅子を操縦する方式のものとがある。
【０００４】
例えば、第１の方式において、障害者の頭部の動きによって車椅子を操縦する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の技術は後頭部支持台にジョイスティックを設置し、このジョイスティックを障害者が頭を動かして操縦するものである。また、この特許文献１に記載の技術は後頭部支持台にスイッチが共に設置されており、必要に応じて車椅子をオン／オフすることができるように設計されている。
【０００５】
又、第２の方式において、障害者の顎でジョイスティックを操縦することにより車椅子を操縦する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２に記載の技術は角度を測定するセンサを障害者の首の後方に位置させ、このようなセンサを長いバーで障害者の顎に連結して構成したものである。すなわち、前記特許文献２に記載の技術は障害者が顎を動かすと、その動きに応じて回転するバーの角度を測定して車椅子を操縦するものである。例えば、障害者が顎を上下に動かすと、車椅子が前後に移動し、障害者が顎を左右に動かすと、車椅子が左右に移動する。
【特許文献１】米国特許第４,０９３,０３７号明細書
【特許文献２】米国特許第４,２６０,０３５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これらの特許技術を用いた車椅子があるが、通常、障害者は正常人が使用しない特殊な装置を身に付けていること自体を非常に気まずく思う傾向がある。したがって、障害者はこのように明らかに人目につく操縦装置が設置された車椅子を利用しようとしない傾向がある。また、従来の技術は、顎を動かしてジョイスティックを操縦し、或いは頭を動かして後頭部支持台のジョイスティックを操縦しなければならないという不便さがある。
【０００７】
したがって、本発明は、かかる従来の技術の問題点を解決するためのものであって、その目的は、他人を意識せずに容易に車椅子を操縦することが可能な操縦センサを提供することにある。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、前記操縦センサを用いて車椅子をより容易に操縦することが可能な車椅子駆動制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明の操縦センサは、２つの連結紐と、傾斜面付き内部空間を有する２つのケースと、前記２つのケースの各々の傾斜面又はその対向面に取り付けられるＦＳＲセンサと、前記２つの連結紐の各々に連結され、外力によって前記２つのケースの各々の内部空間を上下に移動しながら前記ＦＳＲセンサを押圧する２つの押圧球と、前記２つの押圧球の各々が肩の動きに応じて対応する前記連結紐によって対応する前記ＦＳＲセンサを押圧しながら上下に移動するように、前記２つのケースを一定の間隔を置いて上着に着用できるように保持する着用ベルトとを含むことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の駆動制御装置は前記操縦センサの信号を受信して車椅子の両輪を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、手を動かせない脊椎損傷障害者の上着に着用され、単に障害者の肩の動きの方向と動きの程度とを測定して電動車椅子を操縦することにより、他人を意識せず容易に車椅子を操縦することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る肩の動きを用いた脊椎損傷障害者用電動車椅子操縦センサ及びこれを用いた車椅子駆動制御装置の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る肩の動きを用いた電動車椅子操縦センサと、脊椎損傷障害者及び車椅子に固定された制御装置との関係を示す概略図である。
【００１３】
図１に示すように、本発明の電動車椅子操縦センサ１０は、障害者の上着に着用することができると共に、これを着用した障害者の肩の動きに応じて車椅子を操縦することができるように構成される。車椅子２０には前記操縦センサ１０の操縦信号を有線で受信して両輪を制御する制御装置３０が設置されている。すなわち、障害者の上着に着用され、肩の動きに応じて車椅子２０を操縦するための電動車椅子操縦センサ１０の信号を制御装置３０で受信して制御することにより、図１に示した車椅子２０が操縦される。
【００１４】
図２ａ及び図２ｂは本発明の一実施形態に係る肩の動きを用いた脊椎損傷障害者用電動車椅子操縦センサの構成関係を示す分解斜視図及び結合斜視図であり、図３は図２ｂに示したセンサのケース内部を透過して示す斜視図である。
【００１５】
図２ａないし図３に示すように、本発明の電動車椅子操縦センサ１０は、２つの連結紐１３と、傾斜面１１ａ付き内部空間１１ｂを有する２つのケース１１と、前記２つのケース１１の各々の傾斜面１１ａ又はその対向面に取り付けられるＦＳＲセンサ(Force Sensitive Resistor Sensor)１２（図４参照）と、前記２つの連結紐１３の各々に連結され、外力によって前記２つのケース１１の各々の内部空間１１ｂを上下に移動しながらＦＳＲセンサ１２を押圧する２つの押圧球１４と、前記２つの押圧球１４の各々が肩の動きに応じて対応する前記連結紐１３によって対応する前記ＦＳＲセンサ１２を押圧しながら上下に移動するように、前記２つのケース１１を一定の間隔を置いて上着に着用できるように保持する着用ベルト１５とを含む。
【００１６】
前記ケース１１は、正六面体又は直六面体状の外形を呈し、その内部に同一幅の傾斜面１１ａが設けられ、その傾斜面１１ａにより形成され、かつ上方に行くほど段々狭くなる内部空間１１ｂを有する。この際、傾斜面１１ａは内部空間１１ｂが上狭下広となるように傾斜角を持つように形成されたもので、内部空間１１ｂの上端及び下端は、ケース１１の上部及び下部において開口を形成する。したがって、ケース１１の上部の開口はケース１１の下部の開口より小さい。この際、内部空間１１ｂは、押圧球１４をケース１１の下部の開口から挿入することができ、かつ押圧球１４が上部の開口を通り抜けられない程度の大きさをもつ。
【００１７】
前記ＦＳＲセンサ１２は内部空間１１ｂにおいて前記ケース１１の傾斜面１１ａ又はその対向面に取り付けられるもので、その一端に接続された接続線はＦＳＲセンサ１２の信号が制御装置３０に入力されるようにケース１１の外部に露出される。このようなＦＳＲセンサ１２は薄いフィルム状の圧力センサであって、押圧力が大きければその抵抗値が小さくなる性質をもつ可変抵抗体である。したがって、ＦＳＲセンサ１２は、その箇所に加わる力を「Ｆ」とすると、その時の抵抗値Ｒを「ａＦb」と近似することができる。この際、ａとｂはＦＳＲセンサ１２の固有特性及び力を加える部分の面積に関係する定数である。
【００１８】
前記押圧球１４は一定の大きさ及び重量を有する球状である。図２ａに示すように、この押圧球１４にはその中心ラインに沿って貫通口１４ａが設けられ、この貫通口１４ａにはワイヤ１６が差し込まれる。そして、ワイヤ１６の一端には貫通口１４ａの直径より大きいストッパー１７が結合され、ワイヤ１６の他端には連結紐１３が連結される。したがって、押圧球１４は連結紐１３の動きに応じて動く。
【００１９】
前記着用ベルト１５は、２つのケース１１が相互間に一定の間隔（通常、成人の肩より狭い間隔）を持ち、このようなケース１１を上着に着用できるようにケース１１を保持する。すなわち、着用ベルト１５は、それぞれの連結紐１３が両肩にそれぞれ位置したときに２つのケース１１が相互間に一定の間隔を持つようにすると共に、肩を動かしても、ケース１１を静止状態で上着に固定できるようにする。したがって、着用ベルト１５はケース１１を静止状態で上着に固定できればいずれの形でも構わない。
【００２０】
前記連結紐１３は、肩の動きに応じて、その一端に連結される押圧球１４がケース１１の傾斜面１１ａに沿って移動しながらＦＳＲセンサ１２を押圧できるように、その他端がいずれか一部分に固定される。すなわち、連結紐１３は上着に固定できるようにその他端にニッパーなどを付着することもでき、また図２ａ及び図２ｂのように着用ベルト１５に固定することもできる。このように、本発明の連結紐１３は、肩の動きに応じて押圧球１４がケース１１の傾斜面１１ａに沿って移動しながらＦＳＲセンサ１２を押圧することが可能であれば、いずれの部位に固定しても構わない。
【００２１】
次に、前述した構成を有する本発明の電動車椅子操縦センサを用いて車椅子を操縦する原理について説明する。
図４は図２ｂに示したセンサの操縦原理を説明するために図３のＡ−Ａ線に沿って切り取った断面図、図５は本発明の操縦センサの抵抗値を制御装置で感知する原理を示す回路図である。
【００２２】
図４に示すように、本発明の操縦センサ１０を着用した障害者がいずれか一方又は両方の肩を上げると、その上げた方の連結紐１３が動き、これにより連結紐１３にワイヤ１６で連結された押圧球１４がケース１１の内部空間１１ｂを移動しながらＦＳＲセンサ１２を押圧する。すなわち、肩の持上げによる連結紐１３の張力Ｆ1によって、ＦＳＲセンサ１２にはＦ2、傾斜面１１ａにはＦ3の反力が押圧球１４によって加えられる。そして、肩の持上げ程度に応じて押圧球１４からＦＳＲセンサ１２に作用する力が変わるが、ＦＳＲセンサ１２は可変抵抗体なので、連結紐１３の張力Ｆ1が大きいほど抵抗値は小さくなる。
【００２３】
このように本発明の電動車椅子操縦センサ１０は、２つのケース１１内にＦＳＲセンサ１２がそれぞれ配置され、このようなＦＳＲセンサ１２がその箇所に作用する張力Ｆ1の大きさ（肩の持上げ程度）によって異なる抵抗値をもつため、このような抵抗値を用いて車椅子を操縦するものである。
【００２４】
このようなＦＳＲセンサ１２の抵抗値は、電圧分配器を介して制御装置３０に伝達される。すなわち、図５に示すように、固定抵抗側を接地させ、ＦＳＲセンサ１２側に５ＶのＶｃｃを加える。この状態で、ＦＳＲセンサ１２に加わる力が小さい場合には、ＦＳＲセンサ１２の抵抗値が大きいため、低電圧がＡＤ変換器に伝達され、ＦＳＲセンサ１２に加わる力が大きい場合には、ＦＳＲセンサ１２の抵抗値が小さくなるため、高電圧がＡＤ変換器に伝達される。すると、ＡＤ変換器は当該電圧を有するアナログ信号をデジタル信号に変換して制御装置３０に伝達し、このように伝達された信号に基づいて制御装置３０で車椅子を操縦する。
【００２５】
次に、本発明の電動車椅子操縦センサによって操縦される車椅子の移動方向について説明する。
図６は肩の動きに応じて本発明のセンサで操縦する車椅子の移動方向を示す概念図である。図６に示すように、本発明の操縦センサ１０を着用した障害者の肩の動きに応じて、車椅子は次のように動作する。すなわち、車椅子は、右肩のみ上げると左回転、左肩のみ上げると右回転、両肩を同時に上げると直進し、両肩を垂れると停止する或いは停止した状態では停止状態を維持するように動作する。このような動作原理は自動車運転の際にハンドルを回す場合、左回転の際には右肩が上がり、右回転の際には左肩が上がる現象を適用したものである。
【００２６】
車椅子は、肩を迅速に２度上げると後進する。また、本発明は、肩の持上げ程度に応じて回転と直進を同時に行うこともできる。例えば、左肩を大きく上げ且つ右肩を小さく上げると、車椅子は右回転しながら前進する。
【００２７】
図７は本発明に係るセンサで感知した肩の動きを車椅子の動きに変換する関数を従来のジョイスティックモーションと比較して示すグラフである。図７の（ａ）は本発明に係るセンサで感知した肩の動きを車椅子の動きに変換する関数を示すグラフであって、Ｘ軸は左肩を上げた程度、Ｙ軸は右肩を上げた程度を示す。図７の（ｂ）は本発明に係るセンサで感知した肩の動きを車椅子の移動速度で示すグラフであって、Ｘ軸は右輪の速度、Ｙ軸は右輪の速度を示す。図７の（ｃ）は従来のジョイスティックモーションによる車椅子の動きを示すグラフである。
【００２８】
図７の（ａ）及び（ｂ）において、「１」の矢印で表わされたように、両肩を同時に上げると車椅子が直進するが、肩を大きく上げるほど、車椅子の速度は速くなる。すなわち、図７の（ａ）及び（ｂ）において、「１」の矢印はＸ＝Ｙの直線に沿って動く。したがって、車椅子は肩を大きく上げるほどより速く直進する。
【００２９】
従来では、図７の（ｃ）のグラフに示す如く、ジョイスティックをＹ軸方向（１’方向）に押すことで直進し、押す程度によってその直進速度が決定される。
図７の（ａ）及び（ｂ）の２の矢印は、右肩をそっとしておき、左肩のみを上げた場合を示し、車椅子は右回転をする。すなわち、右回転をするためには、左輪は前、右輪は後ろに回転しなければならないので、図７の（ｂ）のグラフに示すように、Ｘ（左輪速度）は増加しＹ（右輪速度）は減少する形となる。
【００３０】
従来では、図７の（ｃ）のグラフに示すように、ジョイスティックをＸ軸の正の方向（２’方向）に反らすことで右回転し、反らす程度によってその速度が決定される。
上述したように本発明は、従来のジョイスティックの動作原理を用いたもので、ジョイスティックの左右方向が車椅子の車輪の各速度を制御し、上下方向が直進速度を制御するので、下記数式１及び数式２のように表現することができる。
【００３１】
【数１】
2004290662.tif 000003
【００３２】
【数２】
2004290662.tif 000004
前記数式１、２において、Ｊｘはジョイスティックの左右方向座標、Ｊｙはジョイスティックの上下方向座標、Ｓｌｅｆｔは左肩を上げた程度、Ｓｒｉｇｈｔは右肩を上げた程度をそれぞれ示し、各パラメータは０から１までの値に標準化される。このように、本発明は、肩の動きを０から１までの値に標準化したため、後進のための信号を出すことができないので、後進する際には両肩を迅速に２度上げるとモードを変換する方法などを利用したものである。
【００３３】
次に、このように構成された本発明の電動車椅子操縦センサを用いた車椅子駆動制御装置について説明する。
図８は本発明の操縦センサを用いた車椅子駆動制御装置の回路図である。図８に示すように、本発明の車椅子駆動制御装置３０は、従来のジョイスティックの操縦によって入力される信号の代わりに、前記のように構成された電動車椅子操縦センサ１０から入力される信号で車椅子を制御することを除いては従来の駆動制御装置と同一に構成される。すなわち、本発明の車椅子駆動制御装置３０においては、車椅子を操縦するための入力信号が、電動車椅子操縦センサ１０のＦＳＲセンサ１２を押圧する肩の動きの方向及び押圧程度を示す。
【００３４】
本発明の車椅子駆動制御装置３０は、前記のように構成された操縦センサ１０のＦＳＲセンサ１２の抵抗値を電圧分配器を介して入力するＦＳＲ信号入力部３１と、前記ＦＳＲ信号入力部３１で入力されるＦＳＲ信号を所定のアルゴリズムを用いて分析し、適切な車椅子制御信号を発生させるマイクロ制御部３２と、前記マイクロ制御部３２で発生した車椅子の駆動信号を車椅子の制御仕様に応じて変換する車椅子インタフェース３３と、車椅子に伝達される信号を肉眼で識別できるようにＬＥＤパネルを備える信号確認部３４と、前記マイクロ制御部３２の機能を補完できるように制御用コンピュータを使用するためのインタフェースを構築する制御用コンピュータインタフェース部３５と、マイクロ制御部３２の車椅子制御信号に応じて車椅子の輪を駆動させる駆動ドライバ部３６と、電源を供給する電源供給部３７と、緊急の際に車椅子を停止させる緊急停止スイッチ部３８とを含む。
【００３５】
このように構成された本発明の車椅子駆動制御装置３０は、操縦センサ１０から入力される信号に基づいて前記構成要素によって従来と同一の方法で車椅子を操縦する。
以上、本発明の肩の動きを用いた脊椎損傷障害者用電動車椅子操縦センサ及びこれを用いた車椅子駆動制御装置に対する技術事項を添付図面と共に述べたが、これは本発明の好適な実施形態を例示的に説明したものに過ぎず、本発明を限定するものではない。
【００３６】
また、当業者であれば、本発明の技術思想の範疇から逸脱せず特許請求の範囲内で様々な変形及び模倣が可能であることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る肩の動きを用いた電動車椅子操縦センサと、脊椎損傷障害者及び車椅子に固定された制御装置との関係を示す概略図である。
【図２ａ】本発明の一実施形態に係る肩の動きを用いた脊椎損傷障害者用電動車椅子操縦センサの構成関係を示す分解斜視図である。
【図２ｂ】本発明の一実施形態に係る肩の動きを用いた脊椎損傷障害者用電動車椅子操縦センサの構成関係を示す結合斜視図である。
【図３】図２ｂに示したセンサのケースの内部を透過して示す斜視図である。
【図４】図２ｂに示したセンサの操縦原理を説明するために図３のＡ−Ａ線に沿って切り取った断面図である。
【図５】本発明の操縦センサの抵抗値を制御装置で感知する原理を示す回路図である。
【図６】肩の動きに応じて本発明のセンサで操縦する車椅子の移動方向を示す概念図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係るセンサで感知した肩の動きを車椅子の動きに変換する関数を従来のジョイスティックモーションと比較して示すグラフである。
【図８】本発明の操縦センサを用いた車椅子駆動制御装置の回路図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０…操縦センサ
１１…ケース
１１ａ…傾斜面
１１ｂ…内部空間
１２…ＦＳＲセンサ
１３…連結紐
１４…押圧球
１４ａ…貫通口
１５…着用ベルト
１６…ワイヤ
２０…車椅子
３０…駆動制御装置
【図１】
2004290662.tif 000005
【図２ａ】
2004290662.tif 000006
【図２ｂ】
2004290662.tif 000007
【図３】
2004290662.tif 000008
【図４】
2004290662.tif 000009
【図５】
2004290662.tif 000010
【図６】
2004290662.tif 000011
【図７】
2004290662.tif 000012
【図８】
2004290662.tif 000013