(57)【要約】【課題】高精度な電動車椅子を作成するための全方向移動電動車椅子用シミュレータを実現する。【解決手段】車椅子用シミュレータ１は、制御パラメータと運動パラメータに基づいて仮想的に動く仮想電動車椅子２と、制御パラメータと運動パラメータと移動軌跡の表示を行う表示部３の２つから構成されている。車椅子用シミュレータ１に、仮想全方向移動電動車椅子２の任意の機器パラメータを設定し、任意の仮想路面の路面パラメータを設定する。仮想全方向移動電動車椅子を仮想的に走行させて、表示部２に走行状態を表示する。シミュレーション結果を数値化するとともに可視化して、移動軌跡を表示するので、路面との摩擦係数の変化により、移動量と速度と移動軌跡がどのように変わるかということが直感的に把握できる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車輪の外周にローラーを取り付けた全方向移動電動車椅子の動作をシミュレートする全方向移動電動車椅子用シミュレータであって、仮想車椅子の機器パラメータを設定する仮想車椅子手段と、仮想路面の路面パラメータを設定する路面設定手段と、前記仮想車椅子を仮想的に走行させる手段と、前記仮想車椅子の走行状態を表示する手段と、前記仮想車椅子の走行状態を記録する手段とを具備することを特徴とする全方向移動電動車椅子用シミュレータ。
【請求項２】
前記仮想車椅子手段に、前記ローラーの回転軸の方向を設定する手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の全方向移動電動車椅子用シミュレータ。
【請求項３】
前記路面設定手段に、前記仮想路面と前記ローラーとの間の摩擦係数を設定する手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の全方向移動電動車椅子用シミュレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、全方向移動電動車椅子用シミュレータに関し、特に、よりよい全方向移動電動車椅子を設計するための全方向移動電動車椅子用シミュレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
人口の高齢化により、車椅子の利用台数が増加しつつある。生活の多くの場面で車椅子が利用されるようになり、手動の車椅子だけでなく、電動の車椅子も多く利用されている。そのため、運動特性のいっそう優れた車椅子が要求されて、全方向移動電動車椅子ができて、屋内環境では相当自由に移動できるようになった。このような電動車椅子の例を次に示す。
【０００３】
特許文献１に開示された「モーター式車椅子」は、右方向や左方向も含め、すべての方向の移動ができる全方向性車椅子である。図９（ａ）に示すように、座席部と、駆動部と、制御部とがあり、駆動部は、４つの車輪と、車輪を駆動するための４つの電気モーターと、減速器とを有する。車輪の各々が電気モーターにより駆動され、その周囲に複数の回転可能ローラーを有する。ローラーが回転する軸線方向と車軸の軸線方向との角度が、α（４５°が好適）である。２つの隣接する車輪において角度（α）の各々は等しく、ローラーの方向は平行でない。この駆動装置は、次に示す車両の駆動装置が基礎になっている。
【０００４】
特許文献２，３に開示された「方向安定自己推進車両」は、陸上や雪上や氷上において、いずれの方向にでも動くことのできる車両である。図９（ｂ）に示すように、この自己推進車両には、２個の前部回転自在アセンブリと、２個の後部回転自在アセンブリがある。即ち、車両の長手方向垂直断面を中心として配置された数組の駆動装置が設けられている。これらの駆動装置は、夫々の回転軸に対して斜めに傾けて装着された地面接触要素と共に作用する。この車両は、陸上用車両、登山用車両、雪上車、氷上用車両等として使用できる。
【０００５】
従来の全方向移動電動車椅子の構成と機能について説明する。図１０は、従来の全方向移動電動車椅子の全体外観図と各要素部分図である。図１１は、ローラー付車輪の摩擦特性の関係を示す図である。図１２は、全方向移動電動車椅子のモデルを示す平面図である。図１３は、電動車椅子の前後方向直進と左右方向直進を示す図である。図１４は、電動車椅子のその場旋回と斜め方向直進を示す図である。
【０００６】
図１０を参照しながら、従来の全方向移動電動車椅子の構成を説明する。この電動車椅子のサイズは、縦幅が７１０ｍｍで、横幅が４００ｍｍで、高さが９５０ｍｍで、車輪間距離が２１０ｍｍである。ローラー付車輪の径が２５０ｍｍで、車輪厚が２５ｍｍである。ローラーの径が１０ｍｍで、ローラーの厚さ（長さ）が７５ｍｍで、車輪面に対するローラーの回転軸の傾きが４５°である。重量が８０ｋｇで、座席高さが４７６ｍｍである。駆動方式は、４輪独立駆動方式である。
【０００７】
この電動車椅子は、４つのローラー付車輪各々に、モーターと制御用アンプが取り付けられており、四輪駆動方式になっている。ジョイスティックを操作することによって、車椅子をあらゆる方向へ進行させることができる。ジョイスティックを傾ける程度によって、移動速度を調節することができる。ジョイスティックからの信号を制御用ＰＣで受信し、ＰＣから制御用アンプへ制御信号電圧が送られ、各モーターを駆動して車輪を回転させる。自由回転可能なローラーを、車輪円周上に角度を付けて取り付けたことにより、ローラーの軸方向に推進力が働く。四輪駆動であることにより、一輪毎のモーター制御ができる。前後移動、その場旋回、正面保持状態のままでの左右移動、斜め方向移動等、全方向に移動することが可能である。
【０００８】
図１１に示すローラーの摩擦特性の関係図を参照しながら、ローラーの摩擦特性の概要を説明する。ローラーは、ｘ軸方向（車椅子の前後移動方向）に対してθ（４５°）だけ傾いている回転軸を持ち、車輪円周上で自由回転できる。ローラーの回転軸方向（Ｘ方向）に移動させようとすると大きな摩擦力が働くが、回転軸に垂直な方向（Ｙ方向）に移動させる場合には、ローラーが自由に回転するので、ほとんど摩擦力が働かない。図１２に示す車椅子のモデルにおいて、ｒは、車輪半径［ｍ］である。ａｘは、電動車椅子の重心から車軸までのｘ軸方向距離［ｍ］である。ａｙは、重心から車輪中心までのｙ軸方向距離［ｍ］である。ｑは、車輪回転速度［回転数／ｓｅｃ］である。
【０００９】
図１３と図１４を参照しながら、電動車椅子の移動原理を説明する。ｑは前進回転、−ｑは後退回転である。車輪の回転方向に応じて、路面からの摩擦力の方向が変わり、４つの摩擦力の合力が推進力となる。前後方向直進の場合は、全車輪の回転方向が全て前進方向であるため、４つの摩擦力の合力は前進方向となり、前進移動する。車輪の回転方向の組み合わせにより、左右移動、斜め方向移動、その場旋回が可能となる。車輪を逆転することで、逆方向への移動が可能となる。したがって、この電動車椅子の運動パラメータは、各車輪の回転数と回転方向である。
【００１０】
図１３（ａ）に示すように、全車輪の回転方向が全て前進方向であり、同じ回転速度ｑであると、４つの摩擦力の合力は前進方向となり、前進動作する。前進移動速度ｖｘは、
ｖｘ＝２πｒｑ
である。図１３（ｂ）に示すように、右前輪と左後輪の回転方向が前進方向であり、左前輪と右後輪の回転方向が後退方向であり、同じ回転速度ｑであると、４つの摩擦力の合力は左進方向となり、左横方向に進む。左方向速度をｖｙは、
ｖｙ＝ｖｘ＝２πｒｑ
である。図１４（ａ）に示すように、右前後輪の回転方向が前進方向で、左前後輪の回転方向が後退方向であり、同じ回転速度ｑであると、４つの摩擦力は反時計回り方向の回転モーメントを発生し、その場旋回する。
【００１１】
斜め方向直進の場合は、図１４（ｂ）に示すように、左前輪と右後輪の回転を止め、左後輪と右前輪の２輪を同じ回転速度ｑで回転させると、左前方向（１３５°方向）に進行する。前後方向直進速度をｖｘとし、左右方向直進速度をｖｙとすると、左前１３５°方向への斜め方向直進速度ｖ１３５は、
ｖ１３５＝（ｖｘ２＋ｖｙ２）１／２／２
となる。したがって、前後・左右直進速度の約０．７倍の速度で移動する。
【００１２】
【特許文献１】
特許第３２４４７０６号公報
【特許文献２】
米国特許第３７４６１１２号明細書
【特許文献３】
特公昭５５−５０８３０号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような特殊な駆動装置を備えた電動車椅子は、通常の電動駆動装置と運動特性が異なるので、全方向移動電動車椅子のための特別な開発方法を採用する必要がある。しかし、従来の汎用のシミュレータでは、全方向移動電動車椅子を開発することが困難であるという問題がある。
【００１４】
本発明は、上記従来の問題を解決して、高精度な電動車椅子を設計するための全方向移動電動車椅子用シミュレータを実現することを目的とする。特に、路面の摩擦力の変化に対する全方向移動電動車椅子の動作の変化をシミュレートして、理想的な走行特性を得るための設計条件を求めることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明では、車輪の外周にローラーを取り付けた全方向移動電動車椅子の動作をシミュレートする全方向移動電動車椅子用シミュレータに、仮想車椅子の機器パラメータを設定する仮想車椅子手段と、仮想路面の路面パラメータを設定する路面設定手段と、仮想車椅子を仮想的に走行させる手段と、仮想車椅子の走行状態を表示する手段と、仮想車椅子の走行状態を記録する手段とを具備する構成とした。
【００１６】
このように構成したことにより、全方向移動電動車椅子を実機で動作させる前にシミュレーションを行って結果を可視化して、摩擦係数が変化したときの動作を直感的に把握することが可能になり、全方向移動電動車椅子の運動機能や制御機能を向上させる際に解決すべき問題点を抽出することができる。また、障害物回避等のための自動制御機能を付加した場合や、情報通信技術を応用する場合の効果がどの程度であるかを確認することもできる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図８を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
（実施の形態）
本発明の実施の形態は、機器パラメータを変えて任意の仮想全方向移動電動車椅子を設定し、仮想路面の路面パラメータを設定し、仮想全方向移動電動車椅子を仮想的に走行させ、走行状態を表示するとともに走行状態を記録する全方向移動電動車椅子用シミュレータである。
【００１９】
図１は、本発明の実施の形態における全方向移動電動車椅子用シミュレータの構成を示す系統図である。図２は、全方向移動電動車椅子用シミュレータの処理手順を示すフローチャートである。図３は、シミュレーション結果の軌跡を表示する様子を示す図である。図３（ａ）は、前後進と左右方向進行の移動軌跡を表示した図である。図３（ｂ）は、斜め方向進行の軌跡を表示した図である。図３（ｃ）は、旋回箇所と進行軌跡を表示した図である。図４は、シミュレーション結果の斜め方向進行状態を表示した図である。図５は、シミュレーション結果のその場旋回の様子を表示した図である。図６は、シミュレーション結果の速度を示す表である。図６（ａ）は、前後方向直進速度を示す表である。図６（ｂ）は、左右方向直進速度を示す表である。図６（ｃ）は、斜め方向直進速度を示す表である。図７は、シミュレーション結果の走行量を示す表である。図７（ａ）は、摩擦係数の変化に対する１秒間あたりの移動量を示す表である。図７（ｂ）は、前後方向直進走行量を示す表である。図７（ｃ）は、左右方向直進走行量を示す表である。図７（ｄ）は、斜め方向直進走行量を示す表である。図８は、シミュレーション結果の進行角度を示す表である。図８（ａ）は、摩擦係数の変化に対する斜め方向進行角度を示す表である。図８（ｂ）は、摩擦係数の変化に対するその場旋回角度を示す表である。
【００２０】
上記のように構成された本発明の実施の形態における全方向移動電動車椅子用シミュレータの動作を説明する。以後単に車椅子用シミュレータということもある。最初に、図１を参照しながら、車椅子用シミュレータの概要を説明する。車椅子用シミュレータ１は、制御パラメータと運動パラメータに基づいて仮想的に動く仮想電動車椅子２と、制御パラメータと運動パラメータと移動軌跡の表示を行う表示部３の２つから構成されている。表示部３では、制御パラメータと運動パラメータを表示する。動作を数値化するとともに可視化して、移動軌跡を表示する。摩擦係数の変化により、移動量と速度と移動軌跡がどのように変わるかというシミュレーションを行う。
【００２１】
仮想電動車椅子２は、入力パラメータ設定部と、算出パラメータ設定部と、速度・角速度の算出部と、動作解析部から構成されている。車輪の回転速度ｑ［回転数／ｓｅｃ］は、１秒間の車輪の回転数である。路面と車輪（ローラー）との摩擦係数は、ローラーの回転軸方向（Ｘ軸方向）の摩擦係数μＸと、ローラーの回転方向（回転軸に直交する方向であるＹ軸方向）の摩擦係数μＹである。車椅子の重心から車軸までのｘ方向距離は、ａｘ［ｍ］であり、車椅子の重心から車輪中心までのｙ方向距離は、ａｙ［ｍ］である。車輪半径はｒ［ｍ］である。ローラーの回転軸の傾き角度は、θ［°］である。この例では、θを、５０°（左前車輪）、４０°（左後車輪）、５０°（右後車輪）、４０°（右前車輪）としてある。複合摩擦係数は、ｘ軸方向の摩擦係数μｘと、ｙ軸方向の摩擦係数μｙである。前後方向直進速度は、ｖｘ［ｍ／ｓｅｃ］である。左右方向直進速度は、ｖｙ［ｍ／ｓｅｃ］である。その場旋回角速度は、ω［°／ｓｅｃ］である。異なる摩擦係数ごとに、１秒間当たりの移動量を、全車輪１回転時の移動量［ｍ］から求める。設定された定速度で移動した時の走行量［ｍ］を求める。旋回角度を、全車輪が１回転した時の旋回角度から求める。斜め方向移動時の進行角度［°］を求める。
【００２２】
車椅子用シミュレータの表示部は、制御パラメータの表示と運動パラメータの表示を行い、動作結果の表示に用いる。表示部は、動作の数値化と可視化を行う手段と、移動軌跡表示と旋回箇所の表示を行う手段とから構成されている。動作状態を数値化して、
（１）入力パラメータ
（２）前後・左右・斜め方向直進速度・その場旋回角速度
（３）各車輪の回転数
（４）１秒間当たりの移動量
（５）時間変化に伴う走行量
（６）全車輪１回転時の旋回角度・時間に伴う旋回角度
（７）斜め方向移動時の進行角度
を可視化して表示する。異なる摩擦係数ごとに、速度、進行方向、角度、移動量等のデータを取得し、移動軌跡について、移動軌跡とその場旋回した箇所を表示する。移動軌跡の表示により、動作を確認できる。
【００２３】
図２のフローチャートを参照しながら、車椅子用シミュレータの処理手順を説明する。
▲１▼路面と車椅子との間の摩擦係数の設定
▲２▼車輪回転速度の設定
▲３▼設定した項目の表示と、前後・左右・斜め方向直進速度の算出と表示
▲４▼仮想空間と電動車椅子の表示
▲５▼車椅子の操作と、車椅子の動作解析表示と、移動軌跡・旋回箇所の表示
▲６▼視点変更
▲７▼初期位置への戻りと、移動軌跡表示と、動作解析表示のリセット
▲８▼路面と車椅子との間の摩擦係数と、車輪回転速度の変更と設定
【００２４】
車椅子用シミュレータは、車輪回転速度と路面摩擦係数を、任意に入力することにより、車椅子を動作させることができる。車椅子用シミュレータから得られた移動量、走行量、旋回角度、斜め方向進行角度、車輪回転数等を、数値化して表示するとともに、移動軌跡と旋回箇所を画像で表示する。視点を変更することにより、多方向の視点から、シミュレーション過程を見ることができる。
【００２５】
図３（ａ）に示すように、前後進と左右進行の移動軌跡を表示する。図３（ｂ）に示すように、斜め方向の進行軌跡を表示する。図３（ｃ）に示すように、旋回箇所を表示する。図４に示すように、斜め方向進行の角度を表示する。図５に示すように、その場旋回の様子を表示する。
【００２６】
図６と図７と図８を参照しながら、シミュレーションの例を説明する。図６（ａ）の表の前後方向直進速度は、摩擦係数を変化させても、常に一定である。前後方向移動速度は、路面の摩擦係数に影響されず、車輪の回転数のみに依存する。図６（ｂ）の表の左右方向直進速度は、摩擦係数の増加に伴い増大している。しかし、ローラーのころがり摩擦が非常に小さいという近似では、一定の速度に収束する。図６（ｃ）の斜め方向直進速度は、摩擦係数の増加に伴い増大している。
【００２７】
図７（ａ）の表の移動量は、摩擦係数が変化すると、走行において滑りが生じ、誤差が生じている。前後移動では、摩擦係数の影響がなく、移動量に変化がない。左右移動・斜め移動では、摩擦係数が０．１〜０．２の間で、移動量の誤差が最大である。図７（ｂ）の表の前後方向走行量は、摩擦係数の変化に対して誤差は生じていない。常に一定の走行距離を保ち走行している。図７（ｃ）の表の左右方向走行量は、摩擦係数が０．１〜０．２の間で最大である。図７（ｄ）の表の斜め方向直進走行量は、摩擦係数が０．１〜０．２の間で最大である。
【００２８】
図８（ａ）の表の斜め方向進行角度は、約４０°（ローラー回転方向）である。ローラーの回転方向の摩擦がないとすると、進行角度は限りなく４０°に近づく。摩擦係数の変化に対しても、進行角度に大きな変化は生じない。図８（ｂ）の表のその場旋回角度は、車輪回転速度ｑが１．０［回転／ｓｅｃ］のとき、１秒間に約４６．５°である。約８秒間で３６０°旋回している。車輪回転速度ｑが８．０［回転／ｓｅｃ］では、１秒間に約３６０°旋回している。摩擦係数の変化に対して、旋回角度に大きな変化はない。
【００２９】
摩擦係数の変化に対して、前後方向移動速度は常に一定であり、路面の摩擦係数に影響されない。前後移動量は、常に一定である。横移動、斜め移動、旋回では、摩擦係数の増大に伴い、移動量・角度共に大きくなっている。左右・斜め方向移動速度は、大きな変化は生じない。路面の摩擦係数の減少に伴い、左右・斜め方向への走行と旋回動作において、滑りが生じている。ローラーの回転方向の摩擦なしとすることにより、一定の速度になる。電動車椅子の動きを決めるパラメータは、各車輪の回転数と、回転方向と、路面の摩擦係数である。
【００３０】
このように、車椅子用シミュレータで、自由走行可能な仮想車椅子を実現して、移動やその場旋回動作をシミュレートすることができる。シミュレーション結果を数値化して、移動軌跡を可視表示することにより、車椅子の動作を直感的に把握することができる。車椅子の移動軌跡、移動量、方向性、旋回・斜め移動進行角度を、データとして取得することができ、仮想電動車椅子の動作の評価を行うことができる。
【００３１】
上記のように、本発明の実施の形態では、全方向移動電動車椅子用シミュレータを、機器パラメータを変えて任意の仮想全方向移動電動車椅子を設定し、仮想路面の路面パラメータを設定し、仮想全方向移動電動車椅子を仮想的に走行させ、走行状態を表示するとともに走行状態を記録する構成としたので、路面の摩擦力の変化に対する全方向移動電動車椅子の動作の変化をシミュレートして、理想的な走行特性を得るための設計条件を求めることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明では、車輪の外周にローラーを取り付けた全方向移動電動車椅子の動作をシミュレートする全方向移動電動車椅子用シミュレータに、仮想車椅子の機器パラメータを設定する仮想車椅子手段と、仮想路面の路面パラメータを設定する路面設定手段と、仮想車椅子を仮想的に走行させる手段と、仮想車椅子の走行状態を表示する手段と、仮想車椅子の走行状態を記録する手段とを具備する構成としたので、全方向移動電動車椅子を実機で動作させる前にシミュレーションを行い、全方向移動電動車椅子の運動機能や制御機能を向上させる際に解決すべき問題点を抽出しておくことができる。また、障害物回避等のための自動制御機能を付加した場合や、情報通信技術を応用する場合の効果がどの程度であるかを確認することもできる。解析結果を可視化して、摩擦力が変化したときの動作を直感的に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における全方向移動電動車椅子用シミュレータの構成を示す系統図、
【図２】本発明の実施の形態における全方向移動電動車椅子用シミュレータの処理手順を示すフローチャート、
【図３】本発明の実施の形態における全方向移動電動車椅子用シミュレータで軌跡を表示した図、
【図４】本発明の実施の形態における全方向移動電動車椅子用シミュレータで斜め方向進行の様子を表示した図、
【図５】本発明の実施の形態における全方向移動電動車椅子用シミュレータでその場旋回の様子を表示した図、
【図６】本発明の実施の形態における全方向移動電動車椅子用シミュレータのシミュレーション結果の速度を示す表、
【図７】本発明の実施の形態における全方向移動電動車椅子用シミュレータのシミュレーション結果の走行量を示す表、
【図８】本発明の実施の形態における全方向移動電動車椅子用シミュレータのシミュレーション結果の斜め方向進行角度と旋回角度を示す図、
【図９】従来の全方向移動電動車椅子とローラーの概念図、
【図１０】従来の全方向移動電動車椅子の全体外観図と各要素部分図、
【図１１】従来の全方向移動電動車椅子のローラー付車輪の摩擦特性の関係を示す図、
【図１２】従来の全方向移動電動車椅子のモデルを示す平面図、
【図１３】従来の電動車椅子の前後方向直進と左右方向直進を示す図、
【図１４】従来の電動車椅子のその場旋回と斜め方向直進を示す図である。
【符号の説明】
１  車椅子用シミュレータ
２  仮想電動車椅子
３  表示部
【図１】
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【図２】
2004261481.tif 000004
【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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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