(57)【要約】【課題】  走破性を維持すると共に、動きやすさに関する移動性能を向上させる。【解決手段】  着座部（２）と、着座部（２）を支持する車両本体（３）と、車両本体（３）を挟んで対向するように設けられ、駆動軸方向以外に受動的に移動が可能である一組の特殊車輪（３ａ）および一組の通常車輪（３ｂ）と、車両本体（３）に対して一方側の特殊車輪（３ａ）および通常車輪（３ｂ）を同時に駆動する第１の駆動部（４ａ）と、車両本体（３）に対して他方側の特殊車輪（３ａ）および通常車輪（３ｂ）を駆動する第２の駆動部（４ａ）と、車両本体（３）に対して着座部（２）を鉛直軸（５ｂ）周りに旋回させる第３の駆動部（５ａ）と、を備える。【選択図】  図３
2007152019.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
着座部と、
前記着座部を支持する車両本体と、
前記車両本体を挟んで対向するように設けられ、駆動軸方向以外に受動的に移動が可能である一組の特殊車輪および一組の通常車輪と、
前記車両本体に対して一方側の前記特殊車輪および通常車輪を駆動する第１の駆動部と、
前記車両本体に対して他方側の前記特殊車輪および通常車輪を駆動する第２の駆動部と、
前記車両本体に対して着座部を鉛直軸周りに旋回させる第３の駆動部と、を備えることを特徴とする電動車椅子。
【請求項２】
前記第３の駆動部は、前記車両本体の中心を通る鉛直軸周りに前記着座部を旋回させることを特徴とする請求項１記載の電動車椅子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動性能を向上させた電動車椅子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば、特開２００４−３４４２８９号公報および米国特許第４，８２３，９００号明細書に記載されているように、走破性を高めた電動車椅子が提案されている。このように、従来から知られている電動車椅子は、例えば、次のような構成を採っている。すなわち、２つの前輪として、車軸を中心に駆動力を受けて回転すると共に、車輪の外周面上で車輪の概略接線方向の軸を中心に受動的に回転可能な全方向車輪を備え、また、２つの後輪として、通常のタイヤ車輪を備えている。そして、車両本体の右側の前輪および後輪を、動力伝達機構を介して同時に駆動する右側駆動部と、車両本体の左側の前輪および後輪を、動力伝達機構を介して同時に駆動する左側駆動部とを備えている。このような構成により、４つの車輪のすべてが能動的に駆動され、駆動力を発生することから、走破性に優れるものであるとされている。
【特許文献１】特開２００４−３４４２８９号公報
【特許文献２】米国特許第４，８２３，９００号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の電動車椅子は、標準の車椅子（電動式でない車椅子）と比較して、後輪であるタイヤ車輪が車両本体の後方に位置しているため、電動車椅子が向きを変えるとき、特に、その場で旋回をするときに、後輪である２つのタイヤ車輪の中点を回転中心として旋回運動を行なうこととなる。旋回運動の中心が２つの後輪の中心となるため、旋回半径が大きくなってしまい、その結果、従来の電動車椅子には、動作の機敏性に劣るという欠点が現れてしまう。この旋回半径は、標準の車椅子の動きやすさを示す重要な指標の一つであるが、従来の電動車椅子は、走破性を向上させた反面、動きやすさを犠牲にしてしまっている。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、走破性を維持すると共に、動きやすさに関する移動性能を向上させた電動車椅子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】
【０００５】
上記の目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明に係る電動車椅子は、着座部と、前記着座部を支持する車両本体と、前記車両本体を挟んで対向するように設けられ、駆動軸方向以外に受動的に移動が可能である一組の特殊車輪および一組の通常車輪と、前記車両本体に対して一方側の前記特殊車輪および通常車輪を駆動する第１の駆動部と、前記車両本体に対して他方側の前記特殊車輪および通常車輪を駆動する第２の駆動部と、前記車両本体に対して着座部を鉛直軸周りに旋回させる第３の駆動部と、を備えることを特徴としている。
【０００６】
このように、車両本体に対して着座部を鉛直軸周りに旋回させる第３の駆動部を備えるので、着座部に対して車両本体が、いわゆる能動キャスタとして機能することとなる。これにより、車両本体が、後輪である２つのタイヤ車輪の中点を回転中心として旋回運動を行なっても、着座部は所望の方向に向けて移動しまたは静止し続けることができるので、電動車椅子の動きやすさを向上させることが可能となる。その結果、屋内や公共の場所のような込み入った場所における移動性能を高めることが可能となる。また、車両本体を挟んで対向するように設けられた一組の特殊車輪および一組の通常車輪と、車両本体に対して一方側の特殊車輪および通常車輪を駆動する第１の駆動部と、車両本体に対して他方側の特殊車輪および通常車輪を駆動する第２の駆動部とを備えるので、４ＷＤ方式の駆動機構を実現することができ、走破性を向上させることが可能となる。
【０００７】
また、本発明に係る電動車椅子において、前記第３の駆動部は、前記車両本体の中心を通る鉛直軸周りに前記着座部を旋回させることを特徴としている。
【０００８】
このように、第３の駆動部は、車両本体の中心を通る鉛直軸周りに着座部を旋回させるので、着座部に対して車両本体が、いわゆる能動キャスタとして機能させることが可能となる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、車両本体に対して着座部を鉛直軸周りに旋回させる第３の駆動部を備えるので、着座部に対して車両本体が、いわゆる能動キャスタとして機能することとなる。これにより、車両本体が、後輪である２つのタイヤ車輪の中点を回転中心として旋回運動を行なっても、着座部は所望の方向に向けて移動しまたは静止し続けることができるので、電動車椅子の動きやすさを向上させることが可能となる。その結果、屋内や公共の場所のような込み入った場所における移動性能を高めることが可能となる。また、車両本体を挟んで対向するように設けられた一組の特殊車輪および一組の通常車輪と、車両本体に対して一方側の特殊車輪および通常車輪を駆動する第１の駆動部と、車両本体に対して他方側の特殊車輪および通常車輪を駆動する第２の駆動部とを備えるので、４ＷＤ方式の駆動機構を実現することができ、走破性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明者は、従来の４ＷＤ方式の電動車椅子において、前輪に駆動軸方向以外に受動的に移動が可能である特殊車輪（以下、「全方向車輪」とも呼称する。）を採用し、後輪としての通常車輪（以下、「タイヤ車輪」とも呼称する。）が車両本体の後方に位置することにより、車両本体の中心とタイヤ車輪の中点との間に距離が存在している結果、電動車椅子の旋回半径が大きくなるという欠点が、能動キャスタ制御には好適である点に着目し、車両本体に対して着座部を鉛直軸周りに旋回させる第３の駆動部を設けることによって、能動キャスタの特徴を電動車椅子に導入することができることを見出し、本発明をするに至った。
【００１１】
すなわち、本発明は、着座部と、前記着座部を支持する車両本体と、前記車両本体を挟んで対向するように設けられ、駆動軸方向以外に受動的に移動が可能である一組の特殊車輪および一組の通常車輪と、前記車両本体に対して一方側の前記特殊車輪および通常車輪を駆動する第１の駆動部と、前記車両本体に対して他方側の前記特殊車輪および通常車輪を駆動する第２の駆動部と、前記車両本体に対して着座部を鉛直軸周りに旋回させる第３の駆動部と、を備えることを特徴としている。
【００１２】
これにより、本発明者は、車両本体が、後輪である２つのタイヤ車輪の中点を回転中心として旋回運動を行なっても、着座部が所望の方向に向けて移動しまたは静止し続けることを可能とし、電動車椅子の動きやすさを向上させることを可能とした。以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。
【００１３】
高齢化社会の到来により、今後、車椅子や電動移動車両の使用人口が急激に増大する可能性がある。これまでにも、バリアフリーに対応するべく環境が整備改修され、車椅子を使用した障害者などの移動に配慮がなされてきた。しかし、これは日常生活において公共機関などを利用した移動人口が多い都市部あるいはその周辺地域を中心的に行なわれてきたものである。
【００１４】
今後車椅子人口の増加に伴い、過疎地域などにおいてもバリアフリーの対策を推し進めることが必要になってくるが、これは経済的あるいは時間的な側面から考えて非常に困難な課題であると考えられる。このような背景から、車椅子、移動車両の使用人口の増加に対する対策として、車椅子あるいは電動移動車両の移動性、走破性を現状よりも飛躍的に高めることにより、既存の環境における障壁を克服するという対策が考えられる。そこで、本発明者は、車椅子の移動機構を対象として、その移動の俊敏性、あるいは段差、溝などの既存環境における障壁の走破性能を向上させた車椅子あるいは電動移動車両を実現させた。
【００１５】
これまでにも、車椅子の俊敏性、あるいは走破性能の向上を目指して様々な構造の車椅子が提案、開発されてきた。しかし、上記の要求をすべて満たす車椅子は未だ実用化されておらず、どれか特定の、あるいは少数の要求を満たすのみであった。
【００１６】
そこで、１台で上記の要求を満たす車椅子を開発するために、４輪駆動（４ＷＤ）移動機構の適用を検討する。これは、１対の通常の形態の駆動輪を後方に備え、さらに一対の全方向車輪を前方に備える４輪の移動機構で、同じ側に位置する１つの通常形態の車輪と１つの全方向車輪をチェーンやベルトなどにより連結し、共通のモータにより駆動することで両車輪が同期して回転する構造である。この４ＷＤ機構は、従来から知られているが、不整地などにおいても大きい駆動力が得られるので、移動性が良好であり、また小さい径のキャスタを必要とせず、大きな径の車輪を４輪搭載していることから、段差乗り越え能力も向上するものである。一方、この形態は、回転半径が大きく操作性、動作の俊敏性には劣るといった欠点がある。
【００１７】
本発明者は、この４ＷＤ駆動機構に対して、その操作性、動作の俊敏性を回復する目的で、第３のモータを付加し、４ＷＤ機構を全方向移動制御することを提案する。つまり、上記４ＷＤ機構の後輪２輪に対し、能動キャスタの制御方法を適用することで、椅子のあらゆる方向への並進移動を行ない、第３のモータにて椅子の姿勢を制御することで、ホロノミックな全方向移動を実現する。この機構は４ＷＤであるにもかかわらず、３つのモータで制御が可能であることから、コスト的にも有利であるだけでなく、モータ間の動作の不整合が起こりえないことから無駄なエネルギー消費がなく、効率のよい移動を実現することができる。
【００１８】
以下、４ＷＤ機構の運動学を解析し、この駆動機構の運動について滑りの発生がないことを明らかにする。さらに、シミュレーションにより提案するシステムの有効性を明らかにする。
【００１９】
図１は、４ＷＤ移動機構の模式図である。この機構の基本構想の発案は、米国特許第４，８２３，９００号に見られる。その構造は、前輪の全方向車輪と、後輪の駆動輪の動機駆動を基本としている。しかし、現在までこの構造について、運動学的に詳細に検討したものはあまりなく、真にすべりが生じることなく同期運転が可能であるか検討する必要があると考えられる。そこで、ここでは、４ＷＤ駆動機構の運動学を改めて考察し、その動作を明らかにする。
【００２０】
図１において、２輪の駆動輪の車軸に発生する転がり方向の速度をｖＲ、ｖＬとする。このとき、車両全体は、その瞬間において図中に示すような左駆動輪から距離Ｒの床面上の一点Ｏｒを中心とした旋回運動を行なっているものとする。この中心の位置は、平行二輪の共通軸を通過する直線Ｌ上に常に位置している。いま、左側前方車輪の接地店における速度を考える。全方向車輪は横への自由な転がり動作を行なうため、速度ベクトルＶは車輪に対して角度を持つ。今考えている、点Ｏｒを中心とした旋回運動では直線ｌに直交する。このとき速度は、数式（１）の条件を満たす。
【数１】
2007152019.tif 000003
また、速度ベクトルＶの車両に対する進行方向、横方向の各速度成分、ｖｘ、ｖｙは、以下の数式（２）および数式（３）で表わされる。
【数２】
2007152019.tif 000004
【数３】
2007152019.tif 000005
ただし、ｌｃｏｓθ＝Ｒ、ｌｓｉｎθ＝Ｄである。
【００２１】
一方、駆動輪の移動速度は、数式（４）を満たすことから、ｖｘ＝ｖＬを得る。
【数４】
2007152019.tif 000006
つまり、全方向車輪の車両進行方向の速度は、駆動輪の回転速度と完全に一致する。これより、４ＷＤ駆動機構にて、接地点が駆動輪の転がる方向を延長した直線上に位置するときには、両輪を動力伝達機構により連結して駆動しても全方向車輪はすべることなく所要の動作に対応した動きができるということが明らかにされた。
【００２２】
本発明では、４ＷＤ機構に能動キャスタ制御を適用する。能動キャスタ制御とは、キャスタの軸構造を有する車輪駆動機構を用いて、通常のキャスタ（駆動能力を有しない自由に旋回や車輪回転をするキャスタ）のような動作を行なわせることで全方向移動を実現する車輪駆動システムである。この制御を適用するためには、キャスタの軸配置を有する機構が必要となる。この対象となる機構の一種である双輪キャスタ型駆動機構の例を図２に示す。
【００２３】
図２は、双輪キャスタ型駆動機構の例を示す図である。この双輪キャスタ型駆動機構は、平行二輪とその中点から偏心した位置にある操舵軸から構成される。
【００２４】
上述した４ＷＤ機構は、前輪に全方向車輪を搭載することで駆動輪が後方に位置していることにより、車両の中心と駆動輪の中点の間に距離が存在している。これは、現状の４ＷＤ機構の差動駆動制御では、前述したように旋回半径が大きくなる要因となるもので、従来の設計の観点からは好ましいものではなかった。しかし、これは能動キャスタ制御には適した構造であり、双輪キャスタの構造に対する全方向制御を適用できる基本形態となっている。
【００２５】
図３は、双輪キャスタ型駆動機構を適用した４ＷＤ全方向移動車椅子の概念図である。図３に示すように、駆動部が４輪であるため、図２における４つのキャスタを椅子に設置する必要はなく、椅子は床に接触せずに駆動機構上にて旋回運動を行なうことができる。
【実施例】
【００２６】
４ＷＤ機構に能動キャスタ制御を適用した全方向移動についてシミュレーションを行なった。機械的な構成上、モータをはじめ、制御装置、バッテリなど操作装置を除くすべての電装品は、車両本体に搭載されることが設計的に望ましいと考えられる。よって、シミュレーションにおいてもすべてのモータは車両本体に搭載されるものと仮定している。シミュレーションでは、以下の値を設定した。
椅子の寸法：９５０×６００ｍｍ（上面図にて）
車輪径：３００ｍｍ（タイヤ車輪、全方向車輪とも）
ホイールベース：３５０ｍｍ
トレッド：５５０ｍｍ
キャスターオフセット１７５ｍｍ
【００２７】
図４から図７に、４ＷＤ全方向移動車椅子の動作シミュレーションの結果を示す。図４の初期姿勢に対して、それぞれ、真横移動、後方移動、旋回動作の基本的な３つの動作を行なわせた。いずれも所定の動作を実現させており、ホロノミックな全方向動作が可能であることが明らかにされた。
【００２８】
従来から、車椅子に要求される動作の俊敏性、走行の走破性を両立できる電動車椅子はこれまでになく、様々な環境での移動に使用する車椅子としては十分な性能を有しているとはいえなかった。今後使用人口の増大が見込まれる電動車椅子、あるいは電動移動車両の使用に対応してすべての環境をバリアフリー対応に改善することは困難であると考えられる。その対策として、本発明者は、電動移動装置自体の性能を向上させることで現状の環境に可能な限り対応し障壁を克服する方向を検討してきた。
【００２９】
本発明者は、電動車椅子の移動機構を対象としてその性能を向上させるシステムを提案した。具体的には、後輪に通常の駆動輪、前輪に全方向車輪を備える４ＷＤ機構に対して、能動キャスタ制御を適用することで、トレードオフの関係にある複数の要求を同時に満たす電動車椅子の移動機構について検討を行なった。まず、古くからその構造が知られている４ＷＤの車輪駆動システムについて、前輪として搭載されている全方向車輪を後輪と同速度にて同期運転した場合、すべりが生じないことを理論的に示した。次に、４ＷＤに対して能動キャスタ制御を適用した場合について、第三のモータを搭載することで移動車両上部に備えられる椅子の全方向動作を行なう構造を提案した。さらに、その動作が適切であることをシミュレーションによって明らかにした。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】４ＷＤ移動機構の模式図である。
【図２】双輪キャスタ型駆動機構の例を示す図である。
【図３】双輪キャスタ型駆動機構を適用した４ＷＤ全方向移動車椅子の概念図である。
【図４】４ＷＤ全方向移動車椅子の動作シミュレーションの結果を示す図である。
【図５】４ＷＤ全方向移動車椅子の動作シミュレーションの結果を示す図である。
【図６】４ＷＤ全方向移動車椅子の動作シミュレーションの結果を示す図である。
【図７】４ＷＤ全方向移動車椅子の動作シミュレーションの結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  電動車椅子
２  着座部
３  車両本体
３ａ  全方向車輪（特殊車輪）
３ｂ  タイヤ車輪（通常車輪）
４ａ  右側モータ（第１の駆動部）
４ｂ  左側モータ（第２の駆動部）
５ａ  椅子回転用モータ（第３の駆動部）
５ｂ  鉛直軸
【図１】
2007152019.tif 000007
【図２】
2007152019.tif 000008
【図３】
2007152019.tif 000009
【図４】
2007152019.tif 000010
【図５】
2007152019.tif 000011
【図６】
2007152019.tif 000012
【図７】
2007152019.tif 000013