平成２０年度

佐賀県工業技術センター

研究報告書

重度障害児の自立を支援する屋内用電動椅子に関する研究（第３報）
生産技術部
��川口比呂志 大坪昭文 田中 徹
辛川洋介 林健一郎 永倉寛巳
株式会社戸上電機製作所
武富利勝
有限会社佐賀プラント工業
北島健郎
佐賀大学医学部
松尾清美
本研究は，肢体不自由児が使用する座位保持装置や立位保持装置などの姿勢保持装置を駆動させる電動の移動装置を開発するものである．本年度は，移動装置の製品化を目標に，床面の凹凸に追従する安定した走行性能と姿勢保持装置への取り付け高さを低く抑えることが可能な駆動輪の懸架機構について検討した．また，始動時と停止時の滑らかな動きとロータリースイッチの切り替えにより速度制御を可能にする駆動モータの駆動回路と走行制御回路について検討した．その結果，単純な構造でありながら，始動時における安心感と安定した走行性能を実現する低床型の駆動装置を開発した．また，モータ駆動用のドライバ IC とワンチップマイコン PIC を用いて，PWM 制御による４段階の速度制御が可能な走行制御用ユニットを開発した．

１．はじめに本研究は，障害児の自立と日常生活の質的向上の支援を目的に，障害者自立支援法において電動車いす等の自操型移動装置の支給が認められていない，２歳から９歳までの肢体不自由児を対象にした移動装置を開発するものである．本移動装置は，肢体不自由児が肢体不自由児施設等の施設において使用している，座位保持装置や立位保持装置といった姿勢保持装置１）に直接または間接に駆動装置を取り付けることによって電動化するものである．
これまで，県内の肢体不自由児施設である社会福祉法人佐賀整肢学園の協力を得て，試作機の評価と改善を繰り返し行ってきた．その結果，本移動装置が肢体不自由児や保護者から必要とされており，施設の作業療法士や理学療法士から有効な自立支援用具になり得るとの高い評価を得ている１）２）．
そこで，本年度は，肢体不自由児施設等で使用する屋内専用の移動装置として，製品化を目標に駆動装置と走行制御用ユニットの開発に取り組んだ．具
体的には，床面の凹凸に追従する安定した走行性能と姿勢保持装置への取り付け高さを低く抑えることが可能な駆動輪の懸架機構について検討した．また，始動時と停止時の滑らかな動きとロータリースイッチの切り替えにより速度制御を可能にする駆動モータの駆動回路と走行制御回路について検討した．

２．駆動装置の開発
2.1�駆動装置の構成と姿勢保持装置への接続開発した駆動装置は，肢体不自由児が使用する姿勢保持装置に直接または間接に取り付けて，床面上を自走可能にするものである．駆動装置は，図１に示すとおり，駆動用の直流モータと駆動輪とを減速ギアを介して連結した左右一対の駆動部により構成した．また，駆動部を外側端部にコイルスプリングを取り付けた揺動板に懸架し，駆動輪を床面に対して左右独立に常時付勢する構造とした．
開発した駆動装置を姿勢保持装置に取り付けた移動装置の試作機を図２～図５に示す．図２に示すような座位保持装置に対しては，図３に示す下面隅部に自在キャスターを配した台車を介して，その前後‑１５‑

コイルスプリング

揺動板支持部材

直流モータ

図１

駆動輪
減速ギア

駆動装置の構成

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方向の中間部に取り付ける設計とした．また，図４に示すような立位保持装置に対しては，既設の自在キャスターを活用して，図５のように立位保持装置本体の前後方向の中間部に取り付ける設計とした．
このように，キャスター付き移動体である姿勢保持装置の前後中間部に駆動装置を取り付けることで，左右旋回時の旋回範囲を最小にした．また，姿勢保持装置は，肢体不自由児が乗った状態においても，その前後中間部がほぼ重心位置になることから，旋回するために必要な空間と旋回に必要な駆動力が小さくなるため，旋回性に優れる移動装置を実現できた．
2.2�駆動装置の構造と駆動輪の懸架機構(1) 移動装置の課題
キャスター付き移動体である姿勢保持装置の前後中間部に駆動装置を取り付けた場合，旋回性に優れるものの６輪構造となるため，構造的に床面の凹凸により駆動輪が浮きやすく，安定した走行ができなくなるという問題がある．また，図４に示すようなキャスター付きの姿勢保持装置の下面に取り付ける

場合，既設のキャスターを利用するためには，姿勢保持装置本体の下面から床面の間の空間に収まるように，駆動装置の取り付け高さを低く抑える必要がある．このことは，肢体不自由児が使用する移動装置として，走行時における転倒の危険を回避するために，低重心化を図る必要性があるという点においても重要である．
そこで，姿勢保持装置の取り付け高さを低く抑えるとともに，床面の凹凸に追従して安定した走行性能を実現する低床型の駆動装置を開発した．その駆動装置の構造と駆動輪の懸架機構を図６に示す．また，床面の凹凸に追従する駆動輪の挙動を図７と図８に示す．
(2)�駆動輪の揺動と支軸の設置方向
図６に示すとおり，姿勢保持装置の下面に取り付けるための下向き「コ」の字状の支持部材に，前後方向に向く支軸を設け，この支軸を支点に回動することによって上下方向に揺動する揺動板の遊端側に駆動輪を取り付けた．また，揺動板遊端側に駆動輪を床面に常時付勢する手段として，支持部材と揺動走行制御用ユニット
既設のキャスター

駆動装置

図２ 座位保持装置用の試作機

図４立位保持装置用の試作機

走行制御用ユニット

自在キャスター
駆動装置

駆動装置

図３

座位保持装置への取り付け

図５

‑１６‑

立位保持装置への取り付け

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ストッパー
揺動板

支軸支持部材

直流モータ

床面

減速ギア

コイル
スプリング
駆動輪

図６

駆動装置の構造と駆動輪の懸架機構

板の間にコイルスプリングを設けた．左右一対の駆動輪は各々独立して揺動可能に取り付け，かつ，床面に向けて常時付勢する構造とした．
この構造により，左右一対の駆動輪が各々独立して床面の凹凸に追従し，安定した走行性能を実現できた．また，揺動板の支軸を前後方向に向けることで，始動時に働く慣性である駆動輪を下方または上方に押し出す力が駆動輪に作用しないようにし，始動時の安定した動きを実現した．これにより，移動装置を使用する肢体不自由児に対して，始動時における安心感と安定感を与えることができると考えられる．
(3)�駆動輪の床面に対する付勢手段
駆動輪を床面に付勢する手段を駆動輪よりも外側に支持部材と揺動板の間に設けることで，駆動装置全体の構造を単純化した．これにより，低床型の駆動装置が実現し，キャスター付き姿勢保持装置の下面への取り付けが可能になった．それと同時に，移動装置自体の低重心化も図ることができた．
また，駆動輪よりも外側に駆動輪の付勢手段を設けて付勢手段の上下方向の伸縮範囲を長くし，駆動輪の上下方向の揺動範囲を大きくすることによって，床面の凹凸に対する駆動輪の追従範囲を大きくするこができた．さらに，付勢手段のバネ力を低く抑えることができるため，市販のコイルスプリングを使用可能にした．
(4)�床面の凹凸に追従する駆動輪の挙動
図７に示すように，駆動輪が床面の凹陥部に落ち込むとき，付勢手段であるコイルスプリングが伸びることで揺動板が支軸を支点に下方向に回動し，駆動輪が付勢された状態で凹陥部に接する．また，図８に示すように，駆動輪が突起部に乗り上げるとき，揺動板が支軸を支点に上方向に回動し，コイルスプリングが縮むことで駆動輪が付勢された状態で突起部に接する．左右一対の駆動輪は，各々独立して床

図７

床面凹陥部における駆動輪の挙動

図８

床面突起部における駆動輪の挙動面に付勢しているため，床面の凹凸に対する追従性が高く安定した走行性能を実現できる．なお，駆動輪の上方向への揺動については，コイルスプリングが許容たわみ量を超えて縮むことを避けるために，揺動板の回動を制限するためのストッパーを支持部材に設けた．
(5)�水平床面における駆動輪の設置
図６に示すように，水平な床面において駆動輪を正面視「ハ」の字形に対向して設置し，マイナスキャンバー効果により直進性と旋回性に優れる設計とした．また，床面が傾斜していても走行が安定するように配慮した．駆動輪は，前後方向の支軸を支点に上下方向に回動する構造であるため，駆動装置を姿勢保持装置の下面に取り付ける高さを調整するだけで，容易に駆動輪を正面視「ハ」の字形に対向して設置することができる．

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３．走行制御用ユニットの開発
3.1�モータの駆動回路と走行制御駆動装置に使用した直流モータは 24V 電源で駆動し，電源の o n / o f f により駆動と停止を制御できる．また，電源の極性を変更することにより，その回転方向を制御することができる．これらの制御を可能とするために，直流モータ駆動用のドライバ IC（T A8429H）を用いて駆動回路を製作した３）．このドライバ I C のブロック図を図９に示すが，入力端子の I N1，I N2，及び S T に与える“Ｈ”または“Ｌ”信号を組み合わせることで，表１に示すとおり正転，逆転，停止，ブレーキ，スタンバイの５つのモードが選択できる．
駆動装置は，直流モータと駆動輪とを減速ギアを介して連結した左右一対の駆動部により構成しており，左右の直流モータに対して前進，後進，左旋回，右旋回，停止の５つの走行制御を行う必要がある．
そこで，左右の直流モータをそれぞれ駆動するドラ
イバ IC の入力端子 IN1，IN2 に，“Ｈ”または“Ｌ”のデジタル信号を与え，表２に示す組み合わせにより５つの走行制御を実現した．
3.2�モータの速度制御
直流モータは流れるモータ電流に比例して回転数が増加するという特徴があるが，直流モータのスイッチングトランジスタにドライブ信号を加えても急にはモータ電流は流れない．逆に，ドライブ信号を遮断してもダイオードが逆起電力を吸収しているためモータ電流は急には減少しない．そこで，直流モータ固有の時定数よりも周期の短いパル
ス状の電圧をドライブ信号として直流モータに加えることで，一定のモータ電流を流すことができる．
また，パルス電圧のデューティ比（on/off の比率）を変化させることで，流れるモータ電流をコントロールすることができる．これを PWM（Pulse�Width�Modulation）制御４）というが，最終的に駆動輪を安定して回転させるためには，減速ギアを介して直流モータに連結した状態におけるパルス電圧の適正な周期を見いだす必要がある．
そこで，様々な周期のパルス電圧を直流モータに与えることで駆動輪の回転具合を調査し，駆動輪を安定して回転させることができるパルス電圧の適正周期を見いだした．これにより，異なるデューティ比のパルス電圧を直流モータ駆動用のドライバ I Cの S T 端子（図９）に加えることで，駆動輪の安定した回転と速度制御を可能にする P W M 制御によるモータの回転速度の制御を実現した．

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図９

ドライバ IC（TA8429H）のブロック図表１

ドライバ IC（TA8429H）の機能

表２

図 10

走行制御パターン

PIC16F876A のピン配置

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3.3�ワンチップマイコン PIC を用いた走行制御回路
周辺機器の制御をプログラムで容易に実現できるワンチップマイコンの PIC（Peripheral� Interface�Controller）５）を用いることによって，操作ボタンによる前進，後進，左旋回，右旋回，停止という５つの走行制御と，ロータリースイッチによる４段階の速度制御が可能な P W M 制御用のパルス信号の発生を実現した．
図 10 にワンチップマイコン（P I C16F876A）のピン配置を示すが，このワンチップマイコンはポートＡ，ポートＢ，ポートＣの３つの入出力ポートを有している．開発した走行制御回路においては，ポートＡを出力用，ポートＢを入力用，ポートＣを P W M制御用パルス信号の発生用として使用した．なお，
このワンチップマイコンを動作させるために必要な基本回路を図 11 に示す．また，ボタンスイッチやロータリースイッチと接続する入力部と，モータ駆動用のドライバ I C と接続する出力部から成る P I Cの入出力回路を図 12 に示す．

図 11

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3.4�走行制御用プログラム
ワンチップマイコン P I C を用いた走行制御用のプ
ログラムを図 13 に示す．このプログラムは，PIC の開発元である Microchip 社が提供する統合開発環境
MPLAB 上において，CCS 社が開発した PIC 用Ｃコンパイラを使用して作成した．
プログラムの初期設定は，ポートＡを全て出力用に，ポートＢを全て入力用に，ポートＣの１端子をPWM 制御用とし，そのパルス信号の周期を 1.67[ms]とした．
本プログラムは繰り返しの処理として，まず，ロータリースイッチが４段階のどの位置にあるかをポートＢの下位４ビットで判定し，その位置に応じて P W M 制御用のパルス信号のデューティ比を決定する．次に，ボタンスイッチのどれが押されているかをポートＢの上位４ビットで判定し，その結果に応じて前進，後進，左旋回，右旋回，停止という５つの走行制御を実行するパターンをポートＡの下位４ビットへ出力する．その後に，ロータリースイッチの位置で決定されたデューティ比に従って，P W M 制御用のパルス信号の出力を実現する設定を行う．以上の繰り返し処理をこのプログラムでは 0.1[ s ] 間隔で実行するように設定した．
４．おわりに
本年度は，移動装置の製品化を目標に，安定した走行性能と姿勢保持装置への取り付け高さを低く抑えることが可能な駆動輪の懸架機構について検討した．また，始動時と停止時の滑らかな動きと速度制御を可能にする駆動モータの駆動回路と走行制御回

PIC の基本回路

図 12

PIC の入出力回路‑１９‑平成２０年度

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路について検討した．その結果，単純な構造でありながら，始動時における安心感と安定した走行性能を実現する低床型の駆動装置を開発した．また，モータ駆動用のドライバ I C とワンチップマイコン P I Cを用いて，P W M 制御による４段階の速度制御が可能な走行制御用ユニットを開発した．
走行制御用プログラムについては，今後，始動時と停止時のより滑らかな動きを実現するプログラムを追加する予定である．なお，駆動装置については「駆動装置およびそれを備えたキャスター付屋内移動装置（特願 2009-081346）」として特許出願を行った．
最後に，本研究を実施するにあたり，試作機の評価に全面的に御協力いただいた社会福祉法人佐賀整肢学園と職員の皆様に深く感謝いたします．また，本移動装置の市場性や仕様に対する助言をはじめ，電動車いす等の福祉用具に関する技術的な知見をご教示いただいた株式会社きさく工房の松枝秀明氏に深く感謝いたします．
参考文献�1)�辛川洋介，川口比呂志，田中徹他：重度障害児の自立を支援する屋内用電動椅子に関する研究，
平成 18 年度佐賀県工業技術センター研究報告書，No.15，pp.27-30，（2006）．
�2)�辛川洋介，川口比呂志，田中徹他：重度障害児の自立を支援する屋内用電動椅子に関する研究，
平成 19 年度佐賀県工業技術センター研究報告書，
No.16，pp.31-34，（2007）．
�3)�東芝：D C モ ー タ 用 フ ル ブ リ ッ ジ ド ラ イ バ
TA8429H データシート，（2007）．
�4)�横山直隆：Ｃ言語による製作と制御実習入門，（株）シータスク，（2000）．
�5)�後閑哲也：改訂版�電子工作のための PIC16F 活用ガイドブック，（株）技術評論社，(2004）．
図 13

走行制御用プログラムリスト‑２０‑