各種環境バリアが車いす使用者に強いる負担量の評
価法およびバリア走破装置の開発に関する研究
Study on Evaluating Influences of Barriers andDeveloping Usable Devices to Negotiate the Barriers
for the Manual Wheelchairs
米田郁夫

糟谷佐紀

福井有朋

井上

結

YONEDA Ikuo, KASUYA Saki, FUKUI Aritomo, INOUE Yui
阪東美智子（国立保健科学院健康衛生部）、奥 英久（岡山理科大学工学部福祉システム工学科）
BANDO Michiko (National Institute of Public Health)、OKU Hudehisa (Okayama University of Science)
末田統、藤澤正一郎（徳島大学大学院エコシステム工学専攻）

SUEDA Osamu、FUJISAWA Shoichiro (The University of Tokushima)

キーワード：

手動車いす、バリア走破、定量的評価、開発
Keywords:
Manual wheelchair, Quantitative evaluation ofnegotiating barriers, Development of devices
Abstract:
It is important for the manual wheelchair users
to be able to move around operating theirwheelchair with ease in everyday life. So, it isnecessary to construct barrier-free conditions at
sidewalks, streets and other public facilities.
However, it seems that there is actually little
possibility to clear all the barriers that obstruct
movement of manual wheelchairs. Especially, it isnecessary to slope the sidewalks sideways fordrainage.
This paper concentrates the issue onnegotiating the 5%-side-slope surface by the
manual wheelchair.
Using specially designed experimental manual
wheelchair, influences of slide-slope on
maneuverability of the wheelchair were
investigated, and results as follows wereacquired.

When running on the side-slope surface, theload/distance rate becomes lower by shifting theposition of driving wheels forward, and the slower
the manual wheelchair runs, the higher theload/distance rate.
And furthermore, it became clear that
excluding the swiveling function of casters makethe manual wheelchair ’s running on theside-slope surface remarkably easy. That suggests
new mechanism for negotiating the side-slope
surfaces.
1 はじめに移動は、それ自体が日常生活の中で目的動作であることはほとんどない。しかし、それは日常生活動
作の中で最も重要な動作の一つである。移動ができなければ、他のほとんどの生活動作に支障を来たすからである。したがって、加齢や身体障害のために歩行が困難あるいは不可能になった人ができるだけ支障なく日常生活を送れるようにするためには、円滑に移動できるよう技術的手段が講じられることが必要不可欠である。
とくに、手動車いすを使用しなければならない人の移動の円滑さを確保するためには、いろいろな配

平成 16 年度 兵庫県立福祉のまちづくり工学研究所報告集 132

慮が必要となる。例えば、段差や柔らかい路面ある
いは凹凸のある路面などの環境条件は車いすにとって大きなバリアとなる可能性がある 1)〜4)。横断勾配（片流れ）路面や縦断勾配（スロープ）路面も手動
車いすの円滑な移動を阻害する環境要因である 5)6) 。
したがって、性別や国籍、障害の有無などにかか
わらずだれもが地域社会で安全に豊かに暮らせるユ
ニバーサル社会の構築のためには、まちや施設をバリアフリーにしてだれもが移動しやすい環境にすることが必要である。
ところで、いわゆるハートビル法や交通バリアフ
リー法が施行され、まちや施設のバリアフリー化が進みつつある。低い段差は、比較的簡単な改修工事
で手動車いすでも楽に通れるようにできる可能性がある。あるいは、ミニスロープの設置で対応できることもある。しかしながら、現実には、コストの面などから環境整備だけでは解決できない問題もある。
車いす側にバリアを楽に通り抜けるための工夫の可能性についても考える必要がある。
本研究では、いろいろな環境バリアが車いす使用者に強いる負担量データを計測、蓄積するとともに、車いす側にバリア通り抜けのための機構を考案し、その有効性を定量的に評価する。さらに、自走型及び介助型車いす使用者の操作力データを収集し、操作力を基にした許容環境バリアを推定するシステムの可能性についても考察する。
今年度は、手動車いすで横断勾配路面を通り抜けるときの負担を計測するとともに、より楽に通り抜けるための走行機構について考察した。
2 手動車いすによる横断勾配走行時の負担の計測
2.1 走行実験
横断勾配路面における操作負担を調べるために、実験路を構成し、計測用車いすによる走行実験を行った。
2.1.1 計測装置
ハンドリム操作力を計測するトルク変換器と車軸の回転数を計測するロータリ・エンコーダを装備した駆動輪を装着した計測用車いす 7)を使用した。
2.1.2 実験走行路
歩道の横断勾配（排水勾配）が現行の基準 8)である２％（1/50）以下であれば、多くの手動車いす使
用者にとって、それほど大きな負担にはならない。
しかしながら、まちには２％を超えて、５％（ 1/20）以上になる横断勾配がまだ多く存在するのが現実である。横断勾配が５％程度になると、手動車いすの走行操作負担はかなり大きくなる 5)。
そこで、本研究では、実験室内に以下のような仕様の実験走行路（図１）を構成した。
横断勾配：５％（1/20）
路面長さ：4.5m
路面幅 ：1.8m
路面材質：木製平板に塩ビシートを貼付

図１ 横断勾配実験走行路
Fig.1 Experimental track with side‑slope.
2.1.3 走行実験内容
計測用車いすを、横断勾配実験走行路上に、最大傾斜線に対して直角に、下り斜面を右側に見るように配置する。すなわち、右駆動輪が横断勾配実験走
行路の谷側に位置することになる。
その計測用車いすに被験者は背筋を伸ばしたアッ
プライト姿勢で搭乗し、横断勾配実験走行路上を、
ハンドリムを操作して、車いすの直進が維持される
ように走行する。
駆動輪の取り付け位置は以下の３通りに設定する。
標準位置 ： バックサポート（背もたれ）直下
前出し位置：標準位置より前方 40mm
後出し位置：標準位置より後方 40mm
各被験者は、３通りの駆動輪取り付け位置条件について、速度を変えて７回ずつ走行する。
2.1.4 被験者
被験者は以下の健常者３名である。
被験者Ａ：男性 56 歳；体重 666N
被験者Ｂ：女性 35 歳；体重 480N
被験者Ｃ：女性 24 歳；体重 441N
2.1.5 操作負担の定量的評価尺度
本研究では、手動車いす走行操作時の負担を定量的に評価する量として運動量を用いる。すなわち、

平成 16 年度 兵庫県立福祉のまちづくり工学研究所報告集 133

.
駆動力ピーク値 N

駆動力データを時間積分し、それを操作者が手動車
いすを操作するときの負担を評価する量とする。実際には、駆動力データをもとに、時間間隔20ms で台形近似により時間積分値を計算する。そして、１m 走行するのに必要な負担（運動量）を負担率 4)と定義し、手動車いすを走行させるための操作負担の定量的評価尺度として用いる。
2.2 実験結果と考察

0

8

.

駆動力(右)
駆動力(左)
走行距離6

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
走行速度 m/s(a) 被験者Ａ (Subject A)

駆動力ピーク値 N.
駆動力/10 N 走行距離 m

2.2.1 操作パターン
図２は各被験者が計測用車いすで５％（1/20）横断勾配実験走行路を直進維持走行したときのデータの例である。
また、収集した実験データから、各試行における走行速度と駆動力ピークの平均値を求め、グラフにすると図３のようになる。
10

横断勾配・右駆動力
横断勾配・左駆動力
水平路面・右駆動力
水平路面･左駆動力

140
120
100
80
60
40
20
0
-20
-40

横断勾配・右駆動力
横断勾配・左駆動力
水平路面･右駆動力
水平路面･左駆動力

140
120
100
80
60
40
20
0
-20
-40
0

4

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
平均速度 m/s(b) 被験者Ｂ (Subject B)

2

0

2

4

6

8

10

-4
時間 ｓ

図２ 横断勾配路面における走行実験データ例
Fig.2 An example data when running on theside‑slope surface.

手動車いすで水平路面を直進維持走行するときは、左右駆動輪ハンドリムにほぼ等しい大きさの力を規則的に加えるが、横断勾配路面においては、山側より谷側の駆動輪により大きい駆動力を加える操作パターンになる。それは、走行中車いすが谷側に流されるのを防ぐためである。本実験では、ほとん
どの場合山側の左駆動輪には逆方向の力すなわち制動力を加える操作パターンになっている（図２および図３）。
３名の被験者ともに、左右駆動輪への駆動力はかなり不均衡にして走行していることが分かる。被験者Ａの場合、比較的速く走行する場合は谷側（左側）の駆動輪にはわずかに正の駆動力を加えているが、速度が小さいときは負の駆動力を加えている。被験者ＢおよびＣの場合は、谷側の駆動輪への駆動力はいずれも負になっている。

駆動力ピーク値 N

-2

.

0

140
120
100
80
60
40
20
0
-20
-40

横断勾配・右駆動力
横断勾配・左駆動力

0

0.2 0.4 0.6 0.8 1
平均速度 m/s

1.2

1.4(c) 被験者Ｃ (Subject C)
図３ 横断勾配路面走行時の駆動力ピーク値
Fig.3 Driving force peak in running on theside‑slope surface.
2.2.2 駆動輪位置と負担率収集した走行実験データから，負担率を計算した
結果を図４に示す．なお、被験者ＡおよびＢについては、水平硬路面においても走行実験を行っているので、そのときの負担率の計算結果も示している。
図４から、水平硬路面に比べて５％横断勾配路面においては、全般的に負担率がかなり大きくなっていることが明らかである。
平成 16 年度 兵庫県立福祉のまちづくり工学研究所報告集 134

負担率 N･s/m.

横断勾配･後出
横断勾配･標準
横断勾配・
前出
水平硬路･後出
水平硬路･標準
水平硬路･前出

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8

1 1.2 1.4 1.6 1.8

走行速度 m/s

負担率 N･s/m.

(a) 被験者Ａ (Subject A)
横断勾配･後出
横断勾配･標準
横断勾配･前出
水平硬路･後出
水平硬路･標準
水平硬路･前出

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0

0.2 0.4 0.6 0.8 1

1.2 1.4 1.6 1.8

走行速度 m/s

負担率 N･s/m.

(b) 被験者Ｂ (Subject B)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0

横断勾配･後出
横断勾配･標準
横断勾配･前出

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
走行速度 m/s(c) 被験者Ｃ (Subject C)
図４ 横断勾配路面走行における負担率
Fig.4 Load/distance rate in running on theside‑slope surface.

図５ 横断勾配路面上の車いすに作用する力
Fig.5 The force acting to the wheelchair on theside‑slope surface.

また、横断勾配においては、走行速度が小さいと負担率は大きくなっていることも明らかである。それに対して、水平硬路面を走行するときは、走行速度に関係なく負担率はほぼ一定である。これらのことは、手動車いすの速度を上げて走行することができないユーザーすなわちハンドリムを駆動する力が弱いユーザーにとっては、横断勾配路面は大きなバリアになるということを意味する。
次に、駆動輪車軸の取り付け位置と負担率の関係を見てみると、３名の被験者ともに、駆動輪を前出し位置にしたとき最も負担率が小さく、以下、
標準、
後出し位置の順に大きくなっている。その理由については、Brubaker ら 9)が示した図５のような模式図で説明することができる。
手動車いす・搭乗者の全重量をＷ、車いす・搭乗者の重心と左右駆動輪車軸との間の距離をＬとすると、横断勾配路面においては、重力によって、式(1)に示すような谷側の駆動輪の接地点を中心として車いすを谷側の方に旋回させるモーメントＭが発生すると考えることができる。
Ｍ＝Ｗ･Ｌ･sinθ

(1)

手動車いすの駆動輪車軸を前出し位置にすることにより、図５におけるＬは小さくなる。したがって、式(1)により、重力による旋回モーメントＭは小さくなる。
手動車いすで横断勾配路面を走行するときの、車いすに作用する外乱としての重力に起因する旋回モーメントＭが小さくなれば、それだけ直進が維持しやすくなるので、負担率が小さくなると考えることができる。
3 負担軽減機構開発へのアプローチ
横断勾配路面上を走行中の車いすが外乱としての旋回モーメントの影響を受けやすいのは、前輪にキャスタを使っているためである。視点を変えると、
前輪キャスタの首振り機能を除去することによって、手動車いすによる横断勾配路面の通り抜けがより楽になると考えられる。
そこで、キャスタの有無によって、手動車いすの横断勾配路面上での走行における負担が変わるか否かを検証するために、追加実験を行った。そして、実験結果をもとに、新しい手動車いす走行機構の可能性を考察した。

平成 16 年度 兵庫県立福祉のまちづくり工学研究所報告集 135

.

3.1.1 キャスタ機能除去計測用車いすの構成
計測用車いすの前輪キャスタの首振り機能を除去するために、左右キャスタ付近に図６に示すようなキャスタと同じ径の固定輪を取り付ける。
その際、固定輪の取り付け方法は、元のキャスタ輪が床面よりわずかに浮いた状態なるように調整する。
つまり、固定輪を増設することにより、計測用車いすの走行中にキャスタが機能していない状況を作ることができる。
以降、固定輪を増設した状態の計測用車いすを固
定輪走行モード車いす、キャスタが機能している状
態を通常走行モード車いすと称する。

3.2 追加実験結果(1) 直進維持走行
固定輪走行モード車いすで横断勾配実験走行路
を直進維持走行したときの負担率の計算結果を図７に示す。比較のために通常走行モード車いすでの結果（図４）も併記している。

負担率 N･s/m

3.1 追加実験 ―キャスタによる影響の検証―

ｷｬｽﾀ無し･後出
ｷｬｽﾀ無し･標準
ｷｬｽﾀ無し･前出
ｷｬｽﾀ有り･後出
ｷｬｽﾀ有り･標準
ｷｬｽﾀ有り･前出

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

走行速度 m/s

負担率 N･s/m.

(a) 被験者Ａ (Subject A)

図６ キャスタ機能除去のための固定輪の増設
Fig.6 Set of non‑swiveling wheels in place of
casters.

ｷｬｽﾀ無し･後出
ｷｬｽﾀ無し･標準
ｷｬｽﾀ無し･前出
ｷｬｽﾀ有り･後出
ｷｬｽﾀ有り･標準
ｷｬｽﾀ有り･前出

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

走行速度 m/s.

(b) 被験者Ｂ (Subject B)

負担率 N･s/m

3.1.2 実験概要
(1) 直進維持走行実験
固定輪走行モード車いすにより、2.1.2 節で説明
した５％横断勾配実験走行路において2.1.3 節と同様の直進維持走行を行う。
被験者は 2.1.4 節に示した３名である。
(2) １ストローク走行実験
通常走行モードおよび固定輪走行モード車いす
それぞれについて、１ストローク走行実験を行う。
１ストローク走行とは、計測用車いすを、横断勾配実験走行路上に、最大傾斜線に対して直角に配置
し、被験者は車いすが直進するように左右ハンドリ
ムを１回だけ駆動するものである。
なお、１ストローク走行実験も、３通りの駆動輪
車軸取り付け位置について、駆動力をいろいろに変
えて７試行ずつ行う。また、通常走行モード車いすによる走行実験では、キャスタ輪は予め前進走行する向きに初期設定しておく。
被験者は 2.1.4 節に示した３名である。

ｷｬｽﾀ無し･後出
ｷｬｽﾀ無し･標準
ｷｬｽﾀ無し･前出
ｷｬｽﾀ有り･後出
ｷｬｽﾀ有り･標準
ｷｬｽﾀ有り･前出

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

走行速度 m/s(c) 被験者Ｃ (Subject C)
図７ 固定輪増設による負担率の低下
Fig.7 Decrease of load/distance rate bysetting of non‑swiveling wheels.

平成 16 年度 兵庫県立福祉のまちづくり工学研究所報告集 136

図７から、固定輪走行モード車いすで横断勾配路
面を走行するときの負担率は、通常走行モード車いすの場合に比べてかなり小さくなっていることが明らかである。また、いずれの被験者においても、固定輪走行モード車いすでは、通常走行モード車いすの場合より速度を大きくした実験走行を行えていることが分かる。

y座標（
側方）m.

0
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
-1.2
-1.4
-1.6
-1.8
-2

0.5

1

1.5

2

2.5

3

通常走行モード
固定輪走行モード

x座標（
前方） m

(a) 被験者Ａ (Subject A)

y座標（
側方）m.

0
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
-1.2
-1.4
-1.6
-1.8
-2

0.5

1

1.5

2

2.5

3

2.5

3

通常走行モード
固定輪走行モード

x座標（
前方） m

(b) 被験者Ｂ (Subject B)

y座標（
側方）m.

0
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
-1.2
-1.4
-1.6
-1.8
-2

0.5

1

1.5

2

(2) １ストローク走行
図８は、駆動輪車軸が標準位置のときの走行実験
での駆動輪回転数データをもとに、走行軌跡を幾何学的近似計算法 10)によって求めた結果である。
通常走行モードの場合は、横断勾配実験走行路において進行右方向の谷側にかなり流されるのに対し、固定輪走行モードの場合は、同じ路面上を谷側に流されることなく直進が維持されていることが明らかである。このことが，固定輪走行モード車いすの横断勾配路面上での走行操作のしやすさにつながり、負担率が小さくなったと考えることができる。
なお、駆動輪前出しおよび後出し位置についても同様の走行軌跡になることが確かめられている。
3.3 固定輪走行モード手動車いすの可能性
追加実験の結果から、横断勾配路面上を手動車いすで走行する場合、キャスタの機能を何らかの方法で除去することができれば、その使用者の負担は小さくなることが具体的に明らかになった。
手動車いすのキャスタの機能を除去する方法としては、図６のような固定輪を増設する方法が考えられる。ただし、横断勾配路面ではキャスタの機能を除去して走行し、通常の路面ではキャスタの機能を有効にして走行するといった切り換えが簡単にできることが必須であるので、固定輪を支えている支柱を何らかの方法で伸縮させる必要がある。
さらに簡単な方法として、６輪型手動車いす（図９）を改造することが考えられる。

通常走行モード
固定輪走行モード

x座標（
前方） m

(c) 被験者Ｃ (Subject C)
図８ 横断勾配路面における１ストローク走行時の軌跡（駆動輪；標準位置）
Fig.8 Traces of one‑push test running on theside‑slope surface (Driving wheels;
standard position).

図９ ６輪型手動車いす
Fig.9 The manual wheelchair with six wheels.
６輪型手動車いすは、もともと手動車いすの全長を短くして旋回スペースを小さくすることを目的として開発されたものである。
全長を短くするために、駆動輪車軸取り付け位置を極端に前方にし、転倒を防ぐために左右駆動輪の後方にキャスタを増設している。この６輪型手動車いすは、普段は駆動輪と前
平成 16 年度 兵庫県立福祉のまちづくり工学研究所報告集 137

(a) 通常走行モード (Casters mode)(b) 固定輪走行モード (Non‑swiveling wheels mode)

図 10 走行モード切り換え型手動車いすの概念
Fig.10 The concept of new manual wheelchair being able to run by four non‑swiveling wheels.
方のキャスタを接地させて走行する。そして、搭乗者が体重を後方にかけると車いす全体が後方に傾き、前方のキャスタを持ち上げることができる。この機
能は、段差を越えやすくするためのものであり、前方のキャスタを上げた状態で走行することは想定していない。
そこで、６輪型手動車いすの後方のキャスタを固定輪に置き換えることによって、横断勾配路面上を安定に走行できる可能性がある。すなわち、搭乗者の体重移動によって、図 10 に示すように、キャスタの機能を使った通常走行モードと、キャスタの機能を除去した固定輪走行モードを切り換えて使うことができる。この機能は、搭乗者自身が駆動する自走式手動車いすだけでなく、介助者が手押しで動かす介助用車いすにも有効と思われる。
4 まとめ
実験室内に設置した勾配５％（1/20）の横断勾配
実験走行路において、計測用車いすによる走行実験を行った。
その結果、手動車いすで横断勾配路面を通り抜ける場合、走行速度を大きくした方が負担率は小さくなることが明らかになった。
また、駆動輪車軸を前出し位置にした方が負担率は小さくなることが明らかになった。これは、駆動
輪車軸を前出しすることで、重心と駆動輪車軸間距
離が短くなり、それにより外乱としての重力による旋回モーメントが小さくなるためと考えられる。
さらに、キャスタ機能を除去することにより、手動車いすによる横断勾配路面走行が格段に楽になることが追加の走行実験により確かめられた。その結果をもとに、６輪型手動車いすをベースとして、通常走行モードとキャスタ機能を除去した固定輪走行
モードを体重移動で切り換えられる車いすの可能性を提示した。
車いす使用者にとって、水平で平坦な路面は理想的であるが、現実には、雨水の排水などのために、歩道に横断勾配をつけることは避けられない。これまでの研究から 5)、横断勾配が道路構造令に規定された２％以下であれば、多くの手動車いす使用者にとってそれほど大きな負担ではないと考えられる。
しかし、とくに歩道には、２％を超える横断勾配が多く存在し、また、それらをすべて一朝一夕になくすることができるとは考えにくい。
こうしたことから、環境のバリアを取り除く努力をするのは当然のこととして、一方で、現実に存在するバリアを楽に通り抜けられるようにするための車いすの機構や補助機器の開発あるいは工夫の可能性を考えることも当面は必要である。

参考文献
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日本機械学会第 74 期通常総会講演会講演論文集（Ⅰ）
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平成 16 年度 兵庫県立福祉のまちづくり工学研究所報告集 139