特許 7481303 移動補助装置およびその駆動方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-30

(45)【発行日】2024-05-10

(54)【発明の名称】移動補助装置およびその駆動方法

(51)【国際特許分類】

   A61H 3/00 20060101AFI20240501BHJP

   H02K 29/08 20060101ALI20240501BHJP

   H02P 6/08 20160101ALI20240501BHJP

   H02P 6/16 20160101ALI20240501BHJP

【ＦＩ】

A61H3/00 B

H02K29/08

H02P6/08

H02P6/16

【請求項の数】 3

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2021114684

(22)【出願日】2021-07-12

(65)【公開番号】P2022105468

(43)【公開日】2022-07-14

【審査請求日】2021-07-12

【審判番号】

【審判請求日】2022-12-22

(31)【優先権主張番号】110100082

(32)【優先日】2021-01-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】TW

(73)【特許権者】

【識別番号】504429600

【氏名又は名称】緯創資通股▲ふん▼有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＷＩＳＴＲＯＮ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100134577

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 雅章

(72)【発明者】

【氏名】羅 富仁

(72)【発明者】

【氏名】藍 客愉

【合議体】

【審判長】佐々木 正章

【審判官】安井 寿儀

【審判官】井上 哲男

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１５３９１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－８７１１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－８７２１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１８８８９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－３０１５５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１２２８２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

A61H 3/00

H02P 6/16

H02P 6/18

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも1つのブラケットと、
前記少なくとも1つのブラケットに結合された駆動装置と、
を備える移動補助装置であって、
前記駆動装置は、
ブラシレス直流（ＤＣ）モータと、
前記ブラシレスＤＣモータの角度を検知するホールセンサと、
前記ホールセンサに結合され、前記ブラシレスＤＣモータの角速度切り替えが発生したかどうかに応じて、異なる角速度に対応するアルゴリズムを使用して対応角度を推定する検知ドライバと、
を備え、
前記対応角度が前記ブラシレスＤＣモータの角度として使用され、前記検知ドライバが、前記対応角度に従って前記ブラシレスＤＣモータを駆動して、前記ブラシレスＤＣモータが前記少なくとも1つのブラケットに支持力を提供し、
前記ホールセンサが、前記ブラシレスＤＣモータの前記角度を検出して検出結果を生成し、前記検知ドライバが、前記検出結果に従って、前記ブラシレスＤＣモータの現在速度が所定の速度に対して変化したかどうかを検出し、それによって前記ブラシレスＤＣモータの角速度切り替えが発生したかどうかを決定し、
前記対応するアルゴリズムが、ホールセンサ角度補正アルゴリズムおよびセンサレス角度補正アルゴリズムを含み、前記ホールセンサ角度補正アルゴリズムが、前記ブラシレスＤＣモータの前記検出結果に基づいて第１の角度を推定し、前記センサレス角度補正アルゴリズムが、前記ブラシレスＤＣモータの複数のパラメータおよび電力供給状態に基づいて第２の角度を推定し、
前記検知ドライバが、さらに、前記第１の角度と前記第２の角度との間の現在の角度誤差値を計算し、
前記検知ドライバが、前記ブラシレスＤＣモータの前記角速度切り替えが発生したかどうかに対応して、前記ブラシレスＤＣモータの前記角度として、前記ホールセンサ角度補正アルゴリズムから取得した前記第１の角度を使用するか、前記センサレス角度補正アルゴリズムから取得した前記第２の角度を使用するかを決定し、前記ブラシレスＤＣモータの前記角度に応じて前記ブラシレスＤＣモータを駆動し、
ここで、前記現在の角度誤差値が所定の感度値よりも大きい場合、または前記ブラシレスＤＣモータの前記現在速度が前記所定の速度を超えない場合、前記検知ドライバが、前記ホールセンサ角度補正アルゴリズムから得られた前記第１の角度を前記ブラシレスＤＣモータの前記角度として採用し、
前記現在の角度誤差値が前記所定の感度値以下であり、前記ブラシレスＤＣモータの前記現在速度が前記所定の速度を超える場合、前記検知ドライバが、前記センサレス角度補正アルゴリズムから得られた前記第２の角度を前記ブラシレスＤＣモータの前記角度として採用する、移動補助装置。

【請求項2】

前記ブラシレスＤＣモータの前記角速度切り替えが発生したことを決定する条件は、
前記検知ドライバが、前記ブラシレスＤＣモータの前記現在速度が第１の速度範囲から第２の速度範囲に変化する状態を検出したか、または
前記検知ドライバが、前記ブラシレスＤＣモータの前記現在速度が第２の速度範囲から第１の速度範囲に変化する状態を検出したか、であり、
ここで、前記第１の速度範囲は、前記ブラシレスＤＣモータの前記現在速度が前記所定の速度よりも大きい状態を示し、前記第２の速度範囲は、前記ブラシレスＤＣモータの前記現在速度が前記所定の速度より小さいか等しい状態を示す、請求項１に記載の移動補助装置。

【請求項3】

移動補助装置の駆動方法であって、前記移動補助装置は、少なくとも１つのブラケットと、前記少なくとも１つのブラケットに結合された駆動装置を備え、前記駆動装置は、ブラシレスＤＣモータを備え、前記駆動方法は、
ホールセンサを介して前記ブラシレスＤＣモータの角度を検出して検出結果を生成するステップと、
前記検出結果に従って、前記ブラシレスＤＣモータの現在速度が所定の速度に対して変化したかどうかを検出し、それによって前記ブラシレスＤＣモータの角速度切り替えが発生したかどうかを決定するステップと、
前記ブラシレスＤＣモータの前記角速度切り替えが発生したかどうかに応じて、異なる角速度に対応するアルゴリズムを使用して対応する角度を推定し、前記対応する角度を前記ブラシレスＤＣモータの前記角度として使用するステップと、
前記ブラシレスＤＣモータが前記少なくとも１つのブラケットに支持力を提供するように、前記対応する角度に従って前記ブラシレスＤＣモータを駆動するステップと、を含み、
前記対応するアルゴリズムが、ホールセンサ角度補正アルゴリズムおよびセンサレス角度補正アルゴリズムを含み、前記ホールセンサ角度補正アルゴリズムが、前記ブラシレスＤＣモータの前記検出結果に基づいて第１の角度を推定し、前記センサレス角度補正アルゴリズムが、前記ブラシレスＤＣモータの複数のパラメータおよび電力供給状態に基づいて第２の角度を推定し、
前記駆動方法は、さらに、
前記第１の角度と前記第２の角度との間の現在の角度誤差値を計算するステップ、を含み、
前記ブラシレスＤＣモータの前記角速度切り替えが発生したかどうかに応じて、異なる角速度に対応するアルゴリズムを使用して対応する角度を推定し、前記対応する角度を前記ブラシレスＤＣモータの前記角度として使用するステップは、
前記ブラシレスＤＣモータの前記角速度切り替えが発生したかどうかに対応して、前記ブラシレスＤＣモータの前記角度として、前記ホールセンサ角度補正アルゴリズムから取得した前記第１の角度を使用するか、前記センサレス角度補正アルゴリズムから取得した前記第２の角度を使用するかを決定するステップ、を含み
ここで、前記現在の角度誤差値が所定の感度値よりも大きい場合、または前記ブラシレスＤＣモータの前記現在速度が前記所定の速度を超えない場合、前記ホールセンサ角度補正アルゴリズムから得られた前記第１の角度を前記ブラシレスＤＣモータの前記角度として採用し、
前記現在の角度誤差値が前記所定の感度値以下であり、前記ブラシレスＤＣモータの前記現在速度が前記所定の速度を超える場合、前記センサレス角度補正アルゴリズムから得られた前記第２の角度を前記ブラシレスＤＣモータの前記角度として採用する、駆動方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、移動補助装置の駆動技術に関するものであり、特に、移動補助装置およびその駆動方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

世界の人口が高齢化するにつれて、多くの高齢者は、家族への依存を減らし、他の人の助けなしに一人で歩く能力を得たいと望んでいるので、より良い費用対効果性能を有する移動補助装置（または外骨格（エクソスケルトン）補助装置／外骨格ロボットなどと呼ばれる）の開発が進行中です。

【0003】

移動補助装置（または外骨格補助装置／外骨格ロボットと呼ばれる）は、利用者の身体に装着することができ、移動補助装置内の様々なモータによって提供される補助力によって動作し、それにより、利用者の手足（主に下肢）の運動能力を高め、たとえば、脚の筋肉を鍛える利用者を補助する。ただし、移動補助装置の価格は依然として高いままである。したがって、適切な機能を維持しながら移動補助装置のコストを削減するためには、移動補助装置の最も重要な部品であるモータ装置に焦点を当てて、どのようにコストを節約し、その機能を維持するかを検討する必要がある。

【0004】

モータ装置を備えた移動補助装置および他の装置は、モータ装置の制御に関して異なる要件を有する。ファンなどのモータ装置を備えた他の装置の場合、モータ装置は、所望の効果を達成するために常に一定の速度を維持することが期待される。しかし、歩行動作や足の支持などの要因により、移動補助装置に搭載されているモータ装置は常に速度を変化させる。つまり、モータ装置は常に低速と中速の間で切り替えられ、低速と中速の調整はモータ装置にとって特に重要である。また、適切な設計でない場合には、モータ装置が低速と中速の間で直接切り替えられると、モータの振動が頻発して、移動補助装置の利用者に不快感を与え得る。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、移動補助装置およびその駆動方法を提供する。ブラシレスＤＣ（直流）モータに対応する角速度を対応するアルゴリズムを使用して切り替えることによって、より正確な回転子角度を取得してブラシレスＤＣモータを連続的に駆動することができ、それにより移動補助装置の構築コストを節約し、電力消費を削減し、信頼性を向上させることができる。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一実施形態では、移動補助装置は、少なくとも１つのブラケットと、少なくとも１つのブラケットを駆動する駆動装置とを含む。駆動装置は、ブラシレス直流（ＤＣ）モータと、回転子角度センサと、検知ドライバとを含む。回転子角度センサは、ブラシレスＤＣモータの角度を検知する。検知ドライバは回転子角度センサに結合される。検知ドライバは、対応するアルゴリズムを使用して、ブラシレスＤＣモータの角速度切り替えに対応する対応角度を推定する。対応角度は、ブラシレスＤＣモータの角度として使用される。検知ドライバは、対応角度に従ってブラシレスＤＣモータを駆動して、ブラシレスＤＣモータが少なくとも１つのブラケットに支持力を提供する。

【0007】

本発明の一実施形態は、移動補助装置の駆動方法を提供する。移動補助装置は、少なくとも１つのブラケットと、少なくとも１つのブラケットを駆動するための駆動装置とを含む。駆動装置はブラシレスＤＣモータを含んでいる。駆動方法は、以下のステップ：ブラシレスＤＣモータの角度を検知して、ブラシレスＤＣモータの角速度切り替えが発生するかどうかを決定するステップと、ブラシレスＤＣモータの角速度切り替えが発生するかどうかに対応して、対応するアルゴリズムを使用して対応する角度を推定し、対応する角度をブラシレスＤＣモータの角度として使用するステップとを含む。ブラシレスＤＣモータは、対応する角度に従って駆動されるため、ブラシレスＤＣモータは少なくとも１つのブラケットに支持力を提供する。

【発明の効果】

【0008】

上記を考慮すると、本発明の実施形態における移動補助装置およびその駆動方法は、センサレス角度補正アルゴリズム（センサレス制御としても知られる）とブラシレスＤＣモータ向けのホールセンサ角度補正アルゴリズムの混合使用を採用する。つまり、ブラシレスＤＣモータの速度が遅いとき、この時点でのブラシレスＤＣモータの角度を計算するために、ホールセンサ角度補正アルゴリズムが採用され、ブラシレスＤＣモータが特定の速度で動作するとき、この時点でのブラシレスＤＣモータの角度を計算するために、センサレス制御技術（つまり、センサレス角度補正アルゴリズム）とブラシレスＤＣモータの逆起電力が採用される。さらに、センサレス角度補正アルゴリズムによって計算された角度とホールセンサ角度補正アルゴリズムによって計算された角度に対して減算が実行され、２つの角度の角度誤差値が取得される。さらに、所定の感度値を採用して、２つの角度の誤差値が、例えば、所定の感度値と大きく異なるかどうかを判定し、その場合には、代わりに、ホールセンサ角度補正アルゴリズムによって計算された角度が採用される。このように、本発明の実施形態におけるブラシレスＤＣモータは、最も正確な（しかし最も高価な）ステッピングエンコーダを備えないで、代わりに、低精度であるが比較的安価なホールセンサを備えている。さらに、モータの速度が速い場合、回転子角度の計算は、ホールセンサ角度補正アルゴリズムから、より正確なセンサレス角度補正アルゴリズムに変更される。これにより、移動補助装置の構築コストを節約し、消費電力を削減し、信頼性を向上させることができる。さらに、本発明の実施形態は、モータの回転子角度を正確に取得することによってより正確な駆動回路を提供することができ、それによってモータの振動を低減し、移動補助装置を使用するときの不快感を低減する。

【0009】

本発明の前述のおよび他の目的、特徴および利点を分かりやすくするために、好ましい実施形態を添付図面とともに以下で詳細に説明する。

【0010】

添付の図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれており、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する。図面は、本発明の実施形態を示し、その説明とともに、本発明の原理を説明するのに役立つ。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態による移動補助装置の概略図である。

【図2】歩いているときの利用者、第１のブラケット（大腿部ブラケット）および第２のブラケット（ふくらはぎブラケット）を示す概略図である。

【図3】ブラシレスＤＣモータの回転子と固定子の間の角度とトルクおよび速度との間の関係を示す。

【図4】図４Ａおよび図４ＢはブラシレスＤＣモータの回転子と固定子の間の角度とトルクおよび速度との間の関係を示す。

【図5】ホールセンサを制御に採用したときの正確な回転子角度と誤差角度の概略図である。

【図6】本発明の一実施形態による移動補助装置内のモータ装置の概略図である。

【図7】本発明の一実施形態による移動補助装置の駆動方法のフローチャートである。

【図8】図７のステップＳ７２０の詳細なフローチャートである。

【図9】図８のステップＳ８４０の詳細なフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図１は、本発明の一実施形態による移動補助装置１００の概略図である。利用者は、主に少なくとも１つのブラケットと、ブラケットを駆動するための駆動装置１３０とを含む移動補助装置１００を着用することができる。この実施形態における駆動装置１３０は、ブラケットの間に配置され、ブラケットに支持力を提供するモータ装置の一例である。この実施形態における駆動装置１３０は、利用者のふくらはぎに設置することができる。本発明の実施形態における移動補助装置１００の駆動装置１３０は、主に、利用者の脚に補助力を発生させるための動力としてブラシレスＤＣモータ（ＢＬＤＣモータ）を採用している。詳細には、ブラシレスＤＣモータは、大きいトルク、小さいトルクリップル、長い耐用年数などの特性を備えている。さらに、ブラシレスＤＣモータは、省エネルギー、耐熱性、および保守が容易であるという特性から、一般的に使用されている。

【0013】

詳細には、移動補助装置１００のブラケットは、第１のブラケット１１０（例えば、利用者の大腿部に使用される大腿ブラケット）および第２のブラケット１２０（例えば、利用者のふくらはぎに使用されるふくらはぎブラケット）を含む。第１のブラケット１１０および第２のブラケット１２０は両方とも駆動装置１３０に結合される。この実施形態の駆動装置１３０内の検知ドライバが、検知した対応する角度に従って駆動装置１３０内のブラシレスＤＣモータを駆動するため、駆動装置１３０内のブラシレスＤＣモータが第１のブラケット１１０と第２のブラケット１２０にそれぞれ支持力を提供する。移動補助装置１００は、第１のサイドシールド１１２（大腿サイドシールドを例としてとる）、少なくとも１つの第１のストラップ（第１のストラップ１１４および１１６など）（大腿ストラップを例としてとる）、第２のサイドシールド１２２（ふくらはぎサイドシールドを例としてとる）および少なくとも１つの第２のストラップ（例えば、第２のストラップ１２４および１２６）（ふくらはぎストラップを例として取る）。第１のサイドシールド１１２は、第１のブラケット１１０に固定される。第１のストラップ１１４および１１６は、第１のブラケット１１０または第１のサイドシールド１１２に接続される。第１のサイドシールド１１２と第１のストラップ１１４および１１６は、駆動装置１３０が第１のブラケット１１０に支持力を提供する際に利用者の大腿部の駆動を容易にするために、移動補助装置１００を利用者の大腿部に固定するように構成されている。

【0014】

第２のサイドシールド１２２は、第２のブラケット１２０に固定される。第２のストラップ１２４および１２６は、第２のブラケット１２０または第１のサイドシールド１２２に接続される。第２のサイドシールド１２２と第２のストラップ１２４および１２６は、駆動装置１３０が第２のブラケット１２０に支持力を提供する際に利用者のふくらはぎの駆動を容易にするために、移動補助装置１００を利用者のふくらはぎに固定するように構成されている。

【0015】

利用者が移動補助装置１００を着用して歩いているとき、利用者の２本の脚の動きは、立っている状態とスイングしている状態との間で切り替わる。図２は、歩いているときの利用者と、第１のブラケット１１０および第２のブラケット１２０を示す概略図である。ここでは、一例が図２に基づいて提供され、利用者の右脚用の第１のブラケット１１０および第２のブラケット１２０、ならびに右脚に支持力を提供する右モータが示されている。前方に歩くとき、利用者は最初に直立位で立つ（例えば、図２の利用者の右脚姿勢２１０）。このような状態では、右モータが大腿部ブラケットとふくらはぎブラケットの間で支持力を提供する必要はない。次に、図２の右脚姿勢２１０から右脚姿勢２２０まで、左脚が支点であり、右脚を大きな角度でスイングする必要があるため、この時点で、右モータはモータのトルクを増加させて、大腿部ブラケットとふくらはぎブラケットの間で大きな支持力Ｆ１を提供する必要がある。次に、図２の利用者の右脚姿勢２２０と右脚姿勢２３０との間で、脚が所定の地上支持位置に到達するように、右モータのトルクを減少させてその支持力を減少させる必要があり、この操作が上記のように繰り返される。つまり、移動補助装置１００に採用されるモータは、短時間内に高トルクおよび低速での正転および逆転動作を行う必要がしばしばある。

【0016】

しかしながら、現在一般的に採用されているブラシレスモータは、異なるモード間で速度を調整するのではなく、駆動後に同じ方向に固定速度を維持するだけである。したがって、ブラシレスＤＣモータの適用レベルが異なるため、ブラシレスＤＣモータのトルクと速度の検出技術には大きな違いがある。

【0017】

ブラシレス電気モータの主な構造は、回転子と固定子に分けることができる。この実施形態の回転子は永久磁石として実現され、この実施形態の固定子はコイルとして実現される。ブラシレスＤＣモータは、固定子の磁場を変化させることで回転子を駆動し、モータ全体が回転する。ブラシレスＤＣモータのトルクと速度の検出技術は、主に回転子と固定子との間の角度を検出することにあり、それは、この角度がこのモータのトルクと速度に直接影響するためである。回転子と固定子との間の角度を正確に検出または決定できない場合、移動補助装置１００は、駆動装置１３０に電力を供給するときに誤った判断を行い、わずかに大きいまたは小さい電流を提供し、その結果、駆動装置１３０のトルクおよび速度が期待レベルにならない。その結果、駆動装置１３０は、しばしばモータの振動に遭遇し、騒音を発生し、駆動装置１３０のエネルギー変換効率が低下し、利用者は強い不快感を感ずることになる。

【0018】

ブラシレスＤＣモータの回転子と固定子との間の角度を検出する多くのタイプの方法があり、例えばホールセンサ、ステップエンコーダ、およびセンサレス制御などを使用するアルゴリズムがある。図３および図４Ａ～図４Ｂは、ブラシレスＤＣモータの回転子と固定子との間の角度とトルクおよび速度との間の関係を示す。

【0019】

ブラシレスＤＣモータのトルク、速度、および出力電力を図３に示すことができる。図３のＸ軸は、ブラシレスＤＣモータの速度を示し、速度の単位は、毎分回転数（ＲＰＭ）である。図３の左側のＹ軸は、ブラシレスＤＣモータのトルクを示し、トルクの単位はニュートン・メートル（Ｎ．ｍ）であり、図３の右側のＹ軸は、ブラシレスＤＣモータの出力電力を示し、出力電力の単位はワット（Ｗ）である。図３の直線３１０から、モータの速度が遅いほど、モータにより出力されるトルクは大きくなることが分かる。図３の曲線３２０で示されるように、モータによるトルク出力が小さいほど、またはモータによるトルク出力がない場合、モータの最高速度を得ることができる。

【0020】

ブラシレスＤＣモータの制御技術では、コイル（すなわち、「固定子」）の磁場は、回転子の位置の変化により異なるトルクを生成する。図４Ａおよび図４Ｂは、回転子の位置変化および回転子と固定子との間の角度がモータのトルクにどのように影響するかを示す概略図である。図４Ａの左半分の部分［Ａ］は、ブラシレスＤＣモータの回転子４１０（すなわち、永久磁石）および固定子４２０－１～４２０－３（すなわち、コイル）を示し、回転子４１０の磁場と固定子４２０－１～４２０－３によって生成される磁場との間の角度は４５度で交差することを示す。図４Ａの右半分の部分［Ｂ］は、ブラシレスＤＣモータの回転子４１０の磁場と、固定子４２０－１～４２０－３により発生される磁場との間の角度は９０度で交差することを示す。図４Ａの部品［Ａ］および［Ｂ］における固定子４２０－１～４２０－３の回転方向はすべて反時計回りである。

【0021】

図４Ｂは、ブラシレスＤＣモータの回転子４１０および固定子４２０－１～４２０－３に加えられる力の方向を示している。垂直力印加方向はＶＦとしてマークされ、水平力印加方向はＨＦとしてマークされている。固定子４２０－１～４２０－３によって生成された磁場が回転子４１０に垂直方向の力Ｆ４２０－１を印加する場合、その力は完全に回転子４１０に印加されて回転駆動するため、Ｆ４２０－１にはむだな消費がない。一方、固定子４２０－１～４２０－３によって生成された磁場が回転子４１０に垂直方向の力Ｆ４２０－２を印加する場合、その力Ｆ４２０－２は、垂直方向と同じ方向の力Ｆ４２０－２１と、水平方向と同じ方向の別の力に分割される。垂直方向と同じ方向の力Ｆ４２０－２１のみが回転子４１０を回転させる。したがって、水平方向と同じ方向の別の力は仮想仕事を行い、むだな消費を生じる。それゆえ、回転子４１０の角度を正確に取得できる（または「回転子位置」を正確に取得できる）場合には、垂直磁場を角度θに設定することにより、最適なモータ制御を達成することができる。

【0022】

この実施形態は、ブラシレスＤＣモータの回転子４１０の角度を検出するために３つの制御技術、すなわち、エンコーダ制御、ホールセンサ制御、およびセンサレス制御、を検討する。３種類の制御技術について簡単に説明する。

【0023】

「エンコーダ制御」は、エンコーダが理想的な状態でブラシレスＤＣモータの回転子角度センサとして機能する制御技術の最良の選択である。ただし、エンコーダのコストは高く、エンコーダをブラシレスＤＣモータ内に設計する場合、機械的構造が複雑になるなどの問題がある。

【0024】

「ホールセンサ制御」は、回転子位置を取得するために、ブラシレスＤＣモータに１２０度の間隔で３つのホールセンサを設置する。現在の回転子角度は、前回のサンプリング時間にホールセンサで検知された角度に加えてサンプリング時間と現在の角速度を使って推定することができる。ホールセンサの各状態は６０度の間隔を表すため、ホールセンサの状態が変化するたびに、６０度の回転が発生したことを意味する。ただし、モータが高速で回転すると、ホールセンサの速度の推定誤差が大きくなる。図５は、ホールセンサを制御に採用した場合の正確な回転子角（例えば、図５の線分５１０）と誤差角ＥＡ（例えば、図５の線分５２０）の概略図である。図５から分かるように、ホールセンサの角度補正アルゴリズムも、速度が速いと誤差が大きくなる。誤差が大きいと、モータに流れる電流の変動が大きくなり、モータの回転子がスムーズに回転せず、エネルギー消費に加えて振動や騒音が発生する。

【0025】

「センサレス制御」の原理は、ブラシレスＤＣモータが回転するときに、回転子（永久磁石）が固定子（コイル巻線）に磁気誘導を発生することである。さらに、レンツの法則から、導体に磁気誘導が発生すると、導体は対応する逆起電力を発生することが知られている。したがって、ブラシレスＤＣモータに供給される入力電圧および入力電流と、モータのさまざまなパラメータ（モータの等価抵抗、等価インダクタンスなど）を使用して、逆起電力を介して角度情報を推定することができる。言い換えると、センサレス角度補正アルゴリズムは、モータのパラメータとモータへの電力供給（モータに供給される電圧および電流など）が決定されるときにのみ、逆起電力を推定することができる。「センサレス制御」は高い回転子角度精度を有するが、回転子角度はモータに逆起電力を発生するときにだけ推定できる。したがって、モータが静止しているとき、回転子角度を推定することはできない。

【0026】

したがって、本発明の実施形態は、対応するアルゴリズムを採用して、ブラシレスＤＣモータの速度変化における角速度切り替えに対応するブラシレスＤＣモータの角度を推定し、それにより、推定された角度を使用してブラシレスＤＣモータを駆動することができる。詳細には、ブラシレスＤＣモータの速度が遅いとき、ホールセンサ角度補正アルゴリズムを採用して、この時点でのブラシレスＤＣモータの角度を計算する。ブラシレスＤＣモータが特定の速度で回転するとき、この時点でのブラシレスＤＣモータの角度は、センサレス制御技術（つまり、センサレス角度補正アルゴリズム）とブラシレスＤＣモータの逆起電力によって計算することができる。ブラシレスＤＣモータのセンサレス角度補正アルゴリズム（センサレス制御とも呼ばれます）とホールセンサ角度補正アルゴリズムを組み合わせて使用するこのアプローチによって、モータの正確な回転子角度を取得することができ、それによりモータに供給される駆動電流を正確に制御し、モータの振動を低減し、移動補助装置の使用時に生じる利用者の不快感を低減することができる。

【0027】

表１は、本発明の実施形態で提供されるモータ速度の採用例であり、ホールセンサ角度補正アルゴリズム（この実施形態ではホールアルゴリズムと呼ばれる）によって計算された角度、センサレス角度補正アルゴリズム（この実施形態ではセンサレスアルゴリズムと呼ばれる）によって計算された角度、および本開示の実施形態において上記の２つのアルゴリズムを組み合わせたモータ制御アルゴリズムによって計算された出力角度を示す。

【0028】

【表1】

【0029】

この実施形態では、表１から、モータが低速であるとき、例えば、モータ速度が所定の速度よりも遅いとき（ここでは５００ＲＰＭが例として取り上げられている）、ホールアルゴリズムが、モータ回転子角度のより安定で正確な検出を提供し、無効ではない。一方、モータが低速で回転するとき（たとえば、モータ速度が５００ＲＰＭ未満のとき）、センサレスアルゴリズムでは無効問題が発生する。モータが高速であるとき（たとえば、モータ速度が５００ＲＰＭを超えるとき）、ホールアルゴリズムは、モータの回転子角度の検出に大きな誤差を発生する可能性がある。一方、モータが高速であるとき（たとえば、モータ速度が５００ＲＰＭを超えるとき）、センサレスアルゴリズムは、モータの回転子角度のより安定で正確な検出を提供する。したがって、この実施形態では、モータが低速から高速に切り替えられると、モータの回転子角度を推定するためのアルゴリズムは、ホールアルゴリズムからセンサレスアルゴリズムに切り替えられる。この実施形態を利用する者は、例えば、経験に基づくデータを用いて所定の速度を決定するなど、利用者の必要に応じて所定の速度の値を調整することができる。つまり、モータの回転角速度が、ホールアルゴリズムが正常に動作し得ないレベルに達すると（つまり、実際の回転子角速度と大幅に異なると）、ホールアルゴリズムがセンサレスアルゴリズムに切り替えられる。切り替え後、センサレスアルゴリズムで推定された角度がモータの回転子の動作角度として出力される。この実施形態では、切り替えのための角速度（例えば、５００ＲＰＭがこの速度を決定するための基準として機能する）は、モータの停止を防ぐためにモータの速度が十分に高くなるように設計される。

【0030】

さらに、モータが低速から高速へ切り替え駆動されるとき、回転子角速度はゼロであるため、逆起電力による電圧および電流は発生せず、センサレスアルゴリズムで動作を実行させること不可能である。したがって、ホールセンサを採用し、ホールセンサルゴリズムと連携してモータを駆動し、回転子角度を推定する必要がある。

【0031】

この実施形態では、「ブラシレスＤＣモータの角速度切り替え」は、２つの条件の下でのブラシレスＤＣモータの角速度切り替えを指す。つまり、上記の条件の1つは、ブラシレスＤＣモータが高速/高角速度（第1の速度範囲とも呼ばれる）から低速/低角速度（第２の速度範囲とも呼ばれる）に切り替わることである。上記の他の条件は、ブラシレスＤＣモータが低速/低角速度（第2の速度範囲）から高速/高角速度（第1の速度範囲）に切り替わることである。上記の「高速／高角速度」（第１の速度範囲）および「低速／低角速度」（第２の速度範囲）は、所定の速度で決定することができる。第1の速度範囲は、回転子角度センサ（ホールセンサ）がブラシレスＤＣモータの回転子角度を検出して検出結果を生成するとき、ブラシレスＤＣモータの角度が所定の速度よりも大きい状態を示す。第２の速度範囲は、回転子角度センサ（ホールセンサ）がブラシレスＤＣモータの回転子角度を検出して検出結果を生成するとき、ブラシレスＤＣモータの角度が所定の速度よりも小さい状態を示す。

【0032】

しかしながら、センサレスアルゴリズムが正常に動作しているかどうかは、モータの速度のみに基づいて正確に決定することはできない。センサレス角度補正アルゴリズムが正常に動作しない可能性を回避するために、この実施形態は、さらに、センサレス角度補正アルゴリズムによって計算された角度とホールセンサ角度補正アルゴリズムによって計算された角度に対して減算を実行して２つの角度の角度誤差値を最大誤差基準として取得する。その一方で、所定の感度値を採用して、２つの角度の誤差値が、例えば、所定の感度値と有意に異なるかどうかを決定する。その場合、ホールセンサ角度補正アルゴリズムで計算した角度を回転子角度として採用するようにアルゴリズムを調整する必要がある。言い換えれば、角度誤差値が所定の感度値以下である場合、それは、センサレス角度補正アルゴリズムおよびホールセンサ角度補正アルゴリズムによって計算された２つの角度値が同等であることを意味する。この実施形態では、センサレス角度補正アルゴリズムによって計算された角度値が、モータの回転子角度として採用される。逆に、角度誤差値が所定の感度値よりも大きい場合は、センサレス角度補正アルゴリズムが正常に動作し得ないことを意味する。そのため、モータの回転子角度としては、代わりにホールセンサ角度補正アルゴリズムで計算された角度値が採用される。

【0033】

他方、モータが高速から低速に切り替えられると、モータの回転子角度を推定するためのアルゴリズムは、センサレスアルゴリズムからホールアルゴリズムに切り替えられる。この実施形態では、切り替えのための角速度（例えば、５００ＲＰＭがその速度を決定するための基準として機能する）が、低速のモータの標準として設計される。このような設計は、本実施形態がセンサレスアルゴリズムを実行する際に、外力または制動作用によるモータの予期せぬ停止を防止するためであり、モータの予期せぬ停止はドライバを異常動作させる。この実施形態では、センサレスアルゴリズムの正常な動作を保証するためにホールセンサおよび対応するホールアルゴリズムが正常に動作しているかどうかも同時に決定される。

【0034】

図６は、本発明の一実施形態による、移動補助装置１００内のモータ装置１３０の概略図である。駆動装置１３０は、主に、ブラシレスＤＣモータ６１０、回転子角度センサ（本実施形態では３つのホールセンサを例として取り上げる）、および検知ドライバ６２０を含む。検知ドライバ６２０は、回転子角度センサに結合されている。回転子角度センサ（ホールセンサ）は、ブラシレスＤＣモータ６１０の回転子角度を検出し、検出結果を生成するように構成されている。駆動装置１３０は、電力段回路６３０、電気特性検知回路６４０、およびマイクロプロセッサ６５０をさらに含むことができる。電力段回路６３０は、ブラシレスＤＣモータ６１０、回転子角度センサ（ホールセンサ）、特性検知回路６４０、およびマイクロプロセッサ６５０に電流ミラーおよび電源回路を介して電力を供給する。電気特性検知回路６４０は、回転子角度センサ（ホールセンサ）の検知結果をアナログ電流信号Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃに変換する。マイクロプロセッサ６５０は、アナログ電流信号Ｉａ、Ｉｂ、およびＩｃを、検知ドライバ６２０が取得できるデジタル信号に変換する。

【0035】

図７は、本発明の一実施形態による移動補助装置の駆動方法のフローチャートである。図７の駆動方法は、図１の移動補助装置１００および図６の駆動装置１３０に適用することができる。図６および図７を参照するに、ステップＳ７１０において、検知ドライバ６２０が、ブラシレスＤＣモータ６１０の角度を検知して、ブラシレスＤＣモータ６１０の角速度切り替えが発生するかどうかを決定する。詳細には、ホールセンサが、ブラシレスＤＣモータ６１０の角度を検出し、検出結果を生成する。例えば、電力段回路６３０、電気特性検知回路６４０、およびマイクロプロセッサ６５０を介して、デジタル信号が、検知結果として検知ドライバ６２０に提供される。検知ドライバ６２０が、検出結果に応じて、ブラシレスＤＣモータ６１０の現在の速度が所定の速度を超えるかどうかを決定し、それにより、ブラシレスＤＣモータ６１０の角速度切り替えが発生するかどうかを決定する。ステップＳ７２０において、検知ドライバ６２０が、対応するアルゴリズムを使用して、ブラシレスＤＣモータ６１０の切り替えが発生するかどうかに対応する角度を推定し、この対応する角度を、ブラシレスＤＣモータ６１０を駆動するためのブラシレスＤＣモータ６１０の角度として採用する。

【0036】

図８は、図７のステップＳ７２０の詳細なフローチャートである。ステップＳ８１０において、検知ドライバ６２０が、電力段回路６３０またはマイクロプロセッサ６５０からブラシレスＤＣモータ６１０に供給される入力電流を取得することができる。

【0037】

ステップＳ８２０において、検知ドライバが、第１の角度補正アルゴリズム（すなわち、ホールセンサ角度補正アルゴリズム）を使用して、第１の角度を推定する。第１の角度補正アルゴリズム（ホールセンサ角度補正アルゴリズム）は、主にブラシレスＤＣモータ６１０の検出結果に基づいて第１の角度を推定する。ステップＳ８３０において、検知ドライバ６２０が、第２の角度補正アルゴリズム（すなわち、センサレス角度補正アルゴリズム）を採用して、第２の角度を推定する。第２の角度補正アルゴリズム（センサレス角度補正アルゴリズム）は、主にブラシレスＤＣモータ６１０の入力電流およびブラシレスＤＣモータ６１０の複数のパラメータ（例えば、等価抵抗、等価インダクタンスなど）に基づいて、ブラシレスＤＣモータ６１０の逆起電力を計算して、第２の角度を推定する。ステップＳ７２０およびＳ７３０は、同時にまたは順次に実行することができる。

【0038】

ステップＳ８４０において、検知ドライバ６２０が、ブラシレスＤＣモータ６１０の角度として第１の角度を使用するか、第２の角度を使用するかを決定する。この実施形態では、検知ドライバ６２０は、主に、ブラシレスＤＣモータ６１０の現在速度が所定の速度（例えば、５００ＲＰＭ）を超えるかどうかを決定し、それにより、ブラシレスＤＣモータ６１０の角度として第１の角度または第２の角度のどちらを使用するかを決定する。さらに、この実施形態では、検知ドライバ６２０が、第１の角度と第２の角度との間の現在の角度誤差を計算して現在の角度誤差が所定の感度よりも大きいかどうかを決定し、それにより、ブラシレスＤＣモータ６２０の角度として第１の角度または第２の角度のどちらを使用するかを決定することもできる。ステップＳ８５０において、検知ドライバ６２０が、供給すべき入力電流をブラシレスＤＣモータ６１０の角度に応じて決定して、ブラシレスＤＣモータ６１０を駆動し続ける。例えば、モータのベクトル制御アルゴリズムを採用して、固定子の3方向電流を回転子座標ベクトルに変換することができ、電流コントローラを採用して、入力電流と制御電流を電圧コマンドに変換することができ、回転子の電圧ベクトルを固定子の3方向電圧に変換することができる。さらに、インバータアルゴリズムによって生成される切り替え状態を設定するために電力段回路６３０を使用することもできる。

【0039】

図９は、図８のステップＳ８４０の詳細なフローチャートである。図６と図９の両方を参照すると、ステップＳ９１０において、検知ドライバ６２０は、現在使用されている角度補正アルゴリズムが第１の角度補正アルゴリズム（すなわち、ホールセンサ角度補正アルゴリズム）であるかどうかを決定する。ステップＳ９１０の決定結果がＹＥＳである場合、ステップＳ９２０に進み、検知ドライバ６２０が、第１の角度と第２の角度との間の現在の角度誤差が所定の感度よりも大きくないかどうか、およびブラシレスＤＣモータ６１０の現在の速度が所定の速度（例えば、５００ＲＰＭ）を超えるかどうかを決定する。ステップＳ９２０のすべての決定結果がＹＥＳである場合、ステップＳ９２５が実行されて、現在使用されている角度補正アルゴリズムを第２の角度補正アルゴリズム（センサレス角度補正アルゴリズム）に変更する。ステップＳ９２０の決定結果の１つがＮＯである場合（例えば、第１の角度と第２の角度との間の現在の角度誤差が所定の感度よりも小さいか、またはブラシレスＤＣモータ６１０の現在の速度が所定の速度を超えない場合）、ステップＳ９４０が実行され、現在使用されている角度補正アルゴリズムに対する調整は行われない。

【0040】

ステップＳ９１０の決定結果がＮＯである場合、ステップＳ９３０が実行され、検知ドライバ６２０が、第１の角度と第２の角度との間の現在の角度誤差が所定の感度よりも大きいかどうか、またはブラシレスＤＣモータ６１０の現在の速度が所定の速度（例えば、５００ＲＰＭ）を超えないかどうかを決定する。ステップＳ９３０の決定結果の１つがＹＥＳである場合（第１の角度と第２の角度との間の現在の角度誤差が所定の感度よりも大きいか、またはブラシレスＤＣモータ６１０の現在の速度が所定の速度を超えない場合）、ステップＳ９３５が実行され、現在使用されている角度補正アルゴリズムは最初の角度補正アルゴリズム（ホールセンサ角度補正アルゴリズム）に変更される。ステップＳ９３０のすべての決定結果がＮＯである場合（例えば、第１の角度と第２の角度との間の電流角度誤差が所定の感度よりも小さく、ブラシレスＤＣモータ６１０の現在の速度が所定の速度を超える場合）、ステップＳ９４０が実行され、現在使用されている角度補正アルゴリズムは調整されない。

【0041】

ステップＳ９４０において、検知ドライバ６２０は、現在の角度補正アルゴリズムが第１の角度補正アルゴリズム（ホールセンサ角度補正アルゴリズム）であるかどうかを決定する。ステップＳ９４０の決定結果がＹＥＳの場合、検知ドライバ６２０は、ブラシレスＤＣモータ６１０の角度として第１の角度を採用する。ステップＳ９４０の決定結果がＮＯの場合、検知ドライバ６２０は、第２の角度をブラシレスＤＣモータ６１０の角度として採用する。ステップＳ９５０またはステップＳ９６０が終了すると、ステップＳ９１０に戻ってプロセスを続行する。

【0042】

要約すると、本発明の実施形態における移動補助装置およびその駆動方法は、ブラシレスＤＣモータ向けにセンサレス角度補正アルゴリズム（センサレス制御としても知られる）とホールセンサ角度補正アルゴリズムの混合使用を採用する。言い換えると、ブラシレスＤＣモータの速度が遅い場合、ホールセンサ角度補正アルゴリズムを採用して、この時点のブラシレスＤＣモータの角度を計算する。ブラシレスＤＣモータが特定の速度で動作する場合、センサレス制御技術（つまり、センサレス角度補正アルゴリズム）とブラシレスＤＣモータの逆起電力を採用して、この時点のブラシレスＤＣモータの角度を計算する。さらに、センサレス角度補正アルゴリズムによって計算された角度とホールセンサ角度補正アルゴリズムによって計算された角度に対して減算を実行して、2つの角度の角度誤差値を取得する。さらに、所定の感度値を採用して、２つの角度の誤差値が、例えば、所定の感度値と大きく異なるかどうかを判定し、そうである場合には、代わりに、ホールセンサ角度補正アルゴリズムによって計算された角度を採用する。このように、本発明の実施形態におけるブラシレスＤＣモータは、最も正確な（しかし最も高価な）ステッピングエンコーダを備えずに、代わりに、低精度であるが比較的安価なホールセンサを備えている。さらに、モータの速度が速いときは、回転子角度の計算が、ホールセンサ角度補正アルゴリズムからより正確なセンサレス角度補正アルゴリズムに変更される。これにより、移動補助装置の構築コストを節約し、消費電力を削減し、信頼性を向上させることができる。さらに、本発明の実施形態は、モータの回転子角度を正確に取得することによってより正確な駆動回路を提供することができ、それによってモータの振動を低減し、移動補助装置の使用時の不快感を低減することができる。

【0043】

本発明の範囲または精神から逸脱することなく、開示された実施形態に対して様々な修正および変更を行うことができることは、当業者には明らかであろう。上記に鑑みて、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内にある限り、そのような修正および変形を包含することが意図されている。

【産業上の利用可能性】

【0044】

したがって、本発明は、移動補助装置およびその駆動方法を提供し、この移動補助装置は利用者に適用される。

【符号の説明】

【0045】

１００：移動補助装置
１１０：第１のブラケット
１１２：第１のサイドシールド
１１４、１１６：第１のストラップ
１２０：第２のブラケット
１２２：第２のサイドシールド
１２４、１２６：第２のストラップ
１３０：駆動装置
２１０、２２０、２３０：利用者の右脚の姿勢
３１０：直線
３２０：曲線
４１０：回転子
４２０－１～４２０－３：固定子
５１０、５２０：線分
６１０：ブラシレスＤＣモータ
６２０：検知ドライバ
６３０：電力段回路
６４０：電気特性検出回路
６５０：マイクロプロセッサ
ＶＦ：垂直力印加方向
ＨＦ：水平力印加方向
θ：角度
Ｆ４２０－１、Ｆ４２０－２、Ｆ４２０－２１：力
ＥＡ：誤差角
Ｓ７１０－Ｓ７３０、Ｓ８１０－Ｓ８５０、Ｓ９１０－Ｓ９６０：ステップ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】