KURIHARA Nobuo

MIKAWA Tomoyuki

三川 智行

栗原 伸夫

English

MIKAWA, Tomoyuki

8713

三川, 智行

ミカワ, トモユキ

栗原, 伸夫

4210

クリハラ, ノブオ

KURIHARA, Nobuo

Hachinohe Institute of Technology Repository / 八戸工業大学学術リポジトリ

段差乗 り上げ機構付き車椅子三 川 智 行*・栗 原 伸 夫**A Wheelchair win the Lift―riseふ/1echanismTomoyuki VIIKAWA・and Nobuo KuRIHARA**AbstractA ne、v auxiliary lnechanis,l of the wheelchair、】、ras investigated for rnaking it easy to use inthe outdoor lleld  lt enable a wheelchair to drive the road with level ditterences smoothly,  ThesOphisticated simulation method using the structural analysis program,“DADS(The DynamicAnalysis and Design SysteHl)'',iS applied to lnake a design of mechanisms. From the sirnulationresult,the front wheel structured with three small、、アheels and the third rear Mrheels drived by theplanetary gears were proposedKey ψοrtJs: Dynanlic silnulation,System Design,Lift―rise Ⅳ正echanism,ヽVheelchair1. は じめ に高齢者が健康的かつ創造的な社会生活あるいは家庭生活を営むうえで,体力的な衰えを補ってくれる何らかの動力支援機器が望まれる。また歩行が不自由な高齢者にとって,日常での生活においてより広範囲な空間で活動するためには,屋内・移動車両・フィールドのそれぞれの場所における移動支援機器が必要である。しかし現行の車椅子は屋内向けに設計されており,フィールドでの使い勝手に劣る面がある。本研究は従来の車椅子をベースに簡単な装着が可能な機構を想定して,段差のあるフィールドでの動力支援を円滑に行う機構を提案することを目的とする。2.車椅子について車椅子の構造をFig lに示す。フレームに主平成 14年12月26日受理*大学院工学研究科機械システムエ学専攻博士前期課程・2年輪と前輪を取り付け,前輪はフレームにキャスタで接続された小輪である。また,主輪として左右に大車輪を1個ずつ設け, この主輪に動力を伝えることにより前進 。後進ならびに左・右旋回を行っている。段差のある道路を円滑に進む場合,高さが小輪直径 (通常は7インチ)の1/2以内となる。公園等のフィールドでの活動に支障をきたす。フ レーキ ャ目IJFig l  Structure of Conventional Wheelchair-207-一**機械情報技術学科・教授八戸工業大学紀要 第22巻Phot l Trial Wheel Chair with Tree Front一ヽVheels3.前輪機構の試作検討3.1 前輸機構について段差乗り上げを検討するに先立ち,フィールドにおける通常の段差を調査した結果,日標高さを15 cmとすることにした。従来の車椅子が持つ問題点として挙げられるのがまず前輪である。前輸の直径を大きくすることは草椅子の操作性を損なうため,前輪の回転に平地用の小回転と段差を乗 り越える大回転の機能を持たせることにする。試作した前輪をPhot,1で示す。3つの小輪をその回転中心部で三角プレートを用いて運結し, この三角プレートの中心軸と上部にキャスタを取りつけたフレームで結合して車椅子を支える構造とした。ここで,小輪は互いに接すると平地で回転しにくくなり,また空け過ぎると段差乗り上げが円滑に行かなくなるため,間隙を適切に設定することが大切である。3.2 前輪機構の性能試験試作した3輪式の前輪を草椅子に取りつけて乗り上げ性能を試験した結果,170 mmの段差を円滑に走行することができた。これは従来の車椅子では50 mmを超える段差には対応できないことから,3輪式の前輪が有効であると言Phot 2 1mproved Front―Wheelsえる。ただし, この試作評価により,平地での走行で小輪を2つ接地させるとキャスタを用いても旋回し難いことが分かった。上述の旋回性能を回復させるために,平地走行時には小輪 1つのみが接地するよう改良 した。ワイヤレバーを用いた命」御機構を付加して,Phot 2で示すように小輸 2つを浮かせる方法である。これにより平地で従来の車椅子 と同等の走行性能を保つことが出来た。4.後輸機構のシミュレーション検討4.1 後輸機構について後輸機構については,段差を乗 り上げる際の空転を防ぐための構造が要求される。つまり,主輪中心の前方にある重心位置が前傾姿勢となるためにさらに前方へ移動して,主輪 と地面との間に摩擦力が低減することによる。今回,次の2つの考え方でシミュレーション検討することにした。(1)駆動力の法線方向に接触面を作る(く さび式機構)。(2)駆動力の法線方向に接触面を近づける(補助輪式機構)。4.2 くさび式機構の検討段差乗 り上げシステムの概要を検討し草椅子の下部にくさびを装備し,段差乗 り上げ時にく一-208-―段差乗り上げ機構付き車椅子ダンパフ レーくさび式機構Fig 2  Vヽheelchair writh Wedgeふ/1echanismさびをモータ,ダンパを用いて上下し接地させ,くさびをスロープの代わりにした段差乗 り上げるくさび式機構を考案した。Fig 2にくさび式機構を示す。くさび式機構の性能評価をシミュレーションで実施した。くさびとして,勾配が 15度のものと20度のものを用いることにした。また,くさびは車椅子に装備することを前提 としたため,キャスタと草輪の間に収納できるサイズにした。 くさびを真横から見たときの底辺の長さは200 mmが限界だったため, くさびの底辺 は200 mmとした。このときのくさびの高さは,勾配が 15度のものでは53 mm,20度のものでは73 mmとなる。この2種類の くさびを用いて行った。乗 り上げ目標段差 を150 mm,100 mmと設定した。くさび式機構の性能は150 mm,100 mmの段差 ともに乗 り上げることができないものであった。原因として,今回使用したくさびでは,走行可能な距離が極端に短 く,スロープとしての役割を果さなかったためと考察される。また,くさびの角度も急勾配だったことも原因であると考察される。そこで段差を乗 り上げるために適したスロープ角度を調べた結果,角度 7度以下のスロープが適していることがわかった。これにより,150 mmの段差を乗 り上げるためにはスロープ角度が 7度のときでスロープ距離はFig 3 Auxiliary Wheel Mechanism1230 mm必要 とな る。ス ロープ距離が 1230mmでは,車椅子に収納可能という条件から遠いため, くさび式機構を断念することにした。4.3 補助輪式機構の検討新たな段差乗り上げ機構として補助輪を設け車椅子をリフトアップさせる機構を考案した。これは,主輪の後方に補助輪を1輪ずつ設け,モータにより補助輪を上下させることで,車椅子の後部を安定した状態で持ち上げる。リフトアップ用補助輪をFig。3として示す。草椅子をリフトアップするための補助輸機構をシミュレーションで検討するため,構造解析プログラム, DADS(The Dynamic Analysisand Design System),を導入した。このソフトウエアは,動作メカニズムを3次元でモデル化して動作特性を解析するものである。本研究では補助輸機構が複雑になるため試作する前にその基本的な構造を決めるうえで適用することにした。段差乗 り上げ機構を持つ車椅子シミュレーションモデルをDADSのもとで作成した。補助輸機構だけでなく,3輪式前輪も装着させた。平地走行時に後部から見た姿勢をFig 4に示す。この場合,補助輪は接地させない。この補助輪機構モデルには,それぞれにDCモータと減速機構を装着した。これにより段差乗り上げ時に低速度 。高トルクで補助輪を下降―-209-―剛 エ●●0八戸工業大学紀要 第22巻Fig 4 Drive byふ/1ain WVheelFig 5 Drive by Auxiliaryヽアヽheelさせて車椅子をリフトアップさせる。Fig 5で段差乗 り上げ時の車椅子姿勢を示す。3次元シミューションにより。アームやリンクなどの応力や動力あるいは,これら様々な角度からその挙動を確認できる。4.4 シミュレーション結果41における段差乗 り上げ機構を持つ草椅子によるシミュレーションの結果,円滑に移動できることが分った。しかしこのモデルを用いた場合,車椅子をリフトアップするタイミングと走行速度を段差の大きさにより微妙に調整する必要があることが半J明した。すなわち,段差の上部に草椅子の重心が移動する前に駆動輪が地面から浮いて空転する恐れがあるためである。さらに使い勝手の良いものとするには, リフトアップの期間には補助輪に駆動機能を持たせることが良いといえる。5,動力支援機構の提案補助輸に駆動用動力源を別途用いることは事実上に困難であることから,駆動輪からの動力伝達機構が必要となる。ここで技術的な課題 として,動力伝達のためには補助輪が移動する軌道が駆動輪の中心から一定距離であることが要件 となる。以上のように,今回のシミュレーション結果から補助輪の基本的な機構の要件 として,(1)補助輪動力伝達機構 :補助輸を駆動輪と同方向に力日速して回転させること。(2)補助輸制御機構 :補助輸を駆動輪 と同一面内で逆方向に回転させ,かつ充分にトルクを増幅させることが得られた。これらを実現する機構 として動力伝達機構にはチェーンもしくはVベル ト連結する方法,制御機構には馬区動輪に所定の大きさの遊星歯車を直結させる方法を提案する。Fig6に動力支援機構を示す。6。 ま と め屋外フィールドにおいて車椅子用動力補助機構を検討した。遊歩道や公園等における100～150 mmの段差 ある道路を,高齢者など筋力に頼れない利用者が進行方向へそのまま円滑に進めることを目標にした。(1)3輪式前輪を考案 して草椅子に装着 した試作評価を実施したところ,170 mmの段差にまで対応できた。また平地走行―-210-―段差乗り上げ機構付き車椅子Fig.6  Tree Front―Wheels and AuxiliaryWheel Mrith Transnlission時には1輪のみを使用する構造に改良を行った。(2)段差を乗 り上げるために補助輪を設ける方式を考案し,シミュレーションで検討し,良好な段差乗り上げ性能を得た。(3)補助輪動力伝達機構,補助輪制御機構を考案し,シミュレーションで検討し,良好な段差乗り上げ性能を得た。今後は引き続いてFig.6に提案する動力支援機構の試作評価を進めていく。文   献1)吉澤武男ら著:新編」IS機械製図第2版,森北出版2)蓮見善久著:機械設計製図演習,理工学社3)EJハウグ著 (松井邦人/樫村幸辰/井浦雅司訳):コンピュータを利用した機構解析の基本(DADS理論マニュアル),大河出版-211-

A Wheelchair with the Lift-rise Mechanism

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段差乗り上げ機構付き車椅子

段差乗り上げ機構付き車椅子

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