专利名称：力输入操纵器、移动物体、手推车和扶车的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种力输入操纵器，且涉及一种由这样的力输入操纵器操作的移动物体，以及一种在其中结合有该力输入操纵器的手推车和扶车，其中所述力输入操纵器例如按照施加于诸如手柄的操纵单元上的操纵力，从移动物体的多个操作模式当中选择操作模式，从而输出控制该移动物体运动的信号。
背景技术：
常规的移动物体，诸如手推车或者扶车被设计成能检测用户施加于操纵单元的操纵力，并且按照操纵力来选择操作模式，例如直线移动、改变方向或者旋转。在这样的常规移动物体中，对于每种机制，操纵力被预先确定在固定级别上，由此用户必须施加一个大于某个级别的力以便操作该移动物体，否则就不能操作该移动物体，尤其是，不能选择操作模式。例如，虽然力量有限的身体不好的人员试着操纵操纵单元以切换操作模式，但是该人员经常不能施加满足用于检测操纵力的预定级别的操纵力，从而被阻止能如所期望地地操作移动物体。此外，当用户可以施加力的方向偏离的时候，移动物体可能在不同于该用户意图的方向上移动。(参考日本专利申请特开平No.2002-2490，在国际公开WO98/41182之下的小册子)。
如上所述，常规的移动物体具有一个缺点，即，所施加的操纵力的检测级别是固定的，因此，当对于所施加的操纵力，移动物体的检测级别不同于用户可以施加的操纵力的级别的时候，不可能或者难以操作该移动物体。此外，当用户可以施加力的方向偏离的时候，移动物体可能在不同于该用户意图的方向上移动。
发明内容
已经鉴于上述的问题构思了本发明，并且提出基于用户通常可以施加的操纵力来相对于所施加的操纵力确定检测级别。换句话说，本发明的一个目的是提供一种力输入操纵器，以及配备有这样的力输入操纵器的移动物体，其中所述力操纵器按照用户对于每种操作模式可以施加的操纵力，来确定和存储一个基准操纵力，从而允许用户尽管仅能施加低(弱)级别的操纵力，仍能通过感觉不到操纵中的困难的自然感受，来如所期望地进行操纵。
上述目的包括提供一种力输入操纵器，以及一种配备有这样的力输入操纵器的移动物体，所述力输入操纵器基于按照施加于操纵单元的操纵力来设置基准操纵力的功能，对所有类型的用户提供容易且自然的操纵感受，所述用户包括一般的用户、身体虚弱的用户和只能在有限的方向上施加力的用户。
本发明的另一个目的是通过将所述移动物体构成为手推车或者扶车，提供一种手推车或者扶车，其为所有类型的用户提供容易且自然的操纵感受，所述用户包括利用该移动物体为手推车的用户，和利用该移动物体为扶车的用户。
本发明的第一个方面提供一种力输入操纵器，其按照施加于操纵单元的操纵力来操作物体，包括施加力检测器，其检测施加于操纵单元的操纵力；操作模式选择器，其从与多个操作模式相关的预先存储的多个基准操纵力当中，确定一个最接近于所检测的操纵力的基准操纵力，并且选择对应于所确定的基准操纵力的操作模式；以及运动控制信号发生器，其输出用于按照所选的操作模式控制物体的运动的运动控制信号。
由于通过与和操作模式相关的预先存储的多个基准操纵力进行比较，按照第一个方面的力输入操纵器确定最接近的基准操纵力，并且选择对应于所确定的基准操纵力的操作模式，因此可以实现便于用户操作的力输入操纵器，其即使当用户只能对操纵单元施加有限的操纵力时，仍允许用户如所期望地选择操作模式。这样的力输入操纵器也为常规的用户提供了自然的操纵感受。此外，该力输入操纵器允许只能在有限的方向上施加力的用户正确地选择期望的操作模式，从而同样地提供其便于用户操作的优点。
本发明的第二个方面提供一种按照第一个方面的力输入操纵器，进一步包括用于基于所施加的操纵力，形成和存储基准操纵力的装置。
按照第二个方面的力输入操纵器能够基于实际施加于操纵单元的操纵力来形成基准操纵力，由此按照身体虚弱的用户施加的很小的操纵力来预先建立适当的基准操纵力，从而实现便于用户操作的力输入操纵器，其可以按照用户的意图确定基准操纵力，并且允许用户平滑地选择操作模式。
本发明的第三个方面提供一种按照第一个或者第二个方面的力输入操纵器，其中施加力检测器是双轴力传感器，其检测作用在相对于该物体的方向上以及作用在与第一个提及的方向横切的另一个方向上的力。
按照第三个方面，由于使用了双轴力传感器作为施加力检测器，所以可以用相对简单的设备检测操纵力，因此可以按照用户的意图容易且准确地选择操作模式。
本发明的第四个方面提供一种按照第一个或者第二个方面的力输入操纵器，其中施加力检测器包括多个力传感器，其中一个方向至少使用二个传感器。
按照第四个方面，由于施加力检测器包括多个力传感器，其中每个方向使用至少二个传感器，可以相对容易但是准确地检测在与提供了两个传感器的轴垂直的轴的方向上的旋转操纵力，因此，可以按照用户的意图容易且准确地选择操作模式。
本发明的第五个方面提供一种按照第一个至第四个方面的力输入操纵器，其中操作模式是直线移动、改变方向和旋转中的一个。
按照第五个方面，可以很容易地按照所施加的操纵力，在直线移动、改变方向和旋转(就地旋转)之中识别用户的意图，因此可以按照用户的意图容易且准确地确定和选择操作模式。
本发明的第六个方面提供一种按照第一个至第五个方面的力输入操纵器，其中操作模式选择器存储相对于每个基准操纵力由力量的大小和作用方向限定的判定区域，以便基于其大小和作用方向，指定所施加的操纵力所属的确定区域，从而确定最接近于所施加的操纵力的基准操纵力。
按照第六个方面，按照判定区域的限定，可以很容易地在直线移动、改变方向和旋转之中识别由所施加的操纵力表示的用户意图，因此可以按照用户的意图容易且准确地确定和选择操作模式。
本发明的第七个方面提供一种按照第一个至第五个方面的力输入操纵器，其中操作模式选择器具有如下功能基于在所施加的操纵力的作用方向和基准操纵力的作用方向之间的方向上的差值，确定最接近于所施加的操纵力的基准操纵力。
按照第七个方面，按照在所施加的操纵力的作用方向和基准操纵力的作用方向之间的方向上的差值，可以容易地在直线移动、改变方向和旋转之中识别用户的意图，因此可以按照用户的意图，容易且准确地确定和选择操作模式。
本发明的第八个方面提供一种按照第一个至第五个方面的力输入操纵器，其中操作模式选择器具有如下功能利用所施加的操纵力的大小和作用方向和基准操纵力的大小和作用方向，来计算在由大小和方向限定的二维空间中的距离，以及基于计算出的距离长度，确定最接近于所施加的操纵力的基准操纵力。
按照第八个方面，利用所施加的操纵力大小和作用方向和基准操纵力的大小和作用方向，来计算在由大小和方向限定的二维空间中的距离，且基于计算出的距离长度，可以很容易地在直线移动、改变方向和旋转之中识别用户的意图，因此，即使当所施加的操纵力很小时，仍可以按照用户的意图容易且准确地确定和选择操纵模式。
本发明的第九个方面提供一种包括按照第一个至第八个方面的任何一个的力输入操纵器的移动物体，以便按照由运动控制信号发生器输出的运动控制信号来进行移动。
本发明的第十个方面提供一种包括按照第九个方面的移动物体的手推车。
本发明的第十一个方面提供一种包括按照第九个方面的移动物体的扶车。
按照第九个至第十一个方面，可以实现便于用户操作的移动物体、手推车和扶车。
附图简述
图1A至1C是示出按照本发明第一个实施例配备有力输入操纵器的移动物体的操作模式的平面图；图2是示出按照第一个实施例的力输入操纵器的轮廓的透视图，该力输入操纵器结合进移动物体中用于选择操作模式；图3是示出按照本发明的基准操纵力的例子的矢量图；图4是用于说明在按照第一个实施例的力输入操纵器中，通过比较所施加的操纵力和基准操纵力，来选择操作模式的过程的矢量图；图5是用于说明在按照第一个实施例的力输入操纵器中，另一个通过比较所施加的操纵力和基准操纵力，来选择操作模式的过程的矢量图；图6是示出按照本发明的控制模块的概要的方框图；图7是示出在按照第一个实施例的力输入操纵器中，操作模式选择和操作速度计算的过程的流程图；图8A是透视图，并且图8B是平面图，分别示出按照本发明第二个实施例配备有力输入操纵器的移动物体；图9是示出按照第一个实施例的力输入操纵器的轮廓的平面图，该力输入操纵器结合进移动物体中用于选择操作模式；图10是示出按照本发明的另一个控制模块的概要的方框图；和图11是示出在按照第二个实施例的力输入操纵器中，操作模式选择和操作速度计算的过程的流程图。
具体实施模式在下面将基于说明其实施例的附图来描述本发明。
图1A至1C是示出按照本发明第一个实施例配备有力输入操纵器的移动物体的操作模式的平面图。在这些附图中，数字1指定移动物体，例如，用于辅助难以行走人员的手推车(电动手推车)和扶车(电动扶车)。移动物体1配备有例如四组车轮。图1A至1C从上向下看地描述了移动物体1的每个车轮的状态。该四组车轮被分别表示为右前轮1a、右后轮1b、左前轮1c和左后轮1d。在移动物体1上安装有力输入操纵器2。必要时，用户对力输入操纵器2施加操纵力，以便选择移动物体1的操作模式。在第一个实施例中，操作模式包括直行模式(a)、方向改变模式(b)和旋转模式(c)。这三个基本操作模式允许所有类型的移动。可以更详细地划分操作模式。
在图1A中，右前轮1a、右后轮1b、左前轮1c和左后轮1d全部沿直线定向，以便在由箭头A所指的方向上直线移动。在图1B中，右前轮1a和左前轮1c是面向右边，移动的方向正在如由箭头B所指的那样改变，而右后轮1b和左后轮1d是面向左边，因此易于方向向右改变。在图1C中，右前轮1a和左前轮1c是面向移动物体1的内部前向，而右后轮1b和左后轮1d是面向外部前向，使得该移动物体如由箭头C所指的那样向右转向。可以按照施加于力输入操纵器2的操纵力来选择这些操作模式中的每一个。此外，车轮的方向控制(转向控制)和驱动控制是由转向单元(未示出)借助于已知的技术执行的，用于转向和驱动车轮。
图2是示出按照第一个实施例的力输入操纵器2的轮廓的透视图，该力输入操纵器结合进移动物体中用于选择操作模式。力输入操纵器2包括对应于操纵单元的操纵手柄2a、紧固操纵手柄2a的手柄卡箍2b、连接到手柄卡箍2b用于检测施加于操纵手柄2a的操纵力的双轴力传感器2c、和用于将力输入操纵器2附接到移动物体1的主体(未示出)的接头部分2d。箭头A指示例如移动方向(Y轴)，箭头B指示例如向左和向右方向(X轴)。双轴力传感器2c作为施加操纵力检测器(参考在图6中的施加操纵力检测器3)，其检测在移动方向和在左右方向上作用的力，并且将检测结果发送给操作模式选择器(参考在图6中的操作模式选择器4)。操作模式选择器基于检测结果选择需要的操作模式，从而以期望的操作模式来驱动移动物体1。
图3是示出按照本发明的基准操纵力的例子的矢量图。作为一个例子，Y轴对应于移动方向(前后方向)，并且X轴对应于相对该移动方向的左右方向。第一个象限被划分为要分配给操作模式的三个区域。例如，分割线L1划定区域A1和区域A2，并且分割线L2划定区域A2和区域A3。区域A1对应于直行模式；区域A2对应于方向改变模式(在该情况下左转弯)；区域A3对应于旋转模式(在这种情况下向左旋转)。划分用于确定操作模式的区域的方法不局限于这个例子，而是可以按照所施加的操纵力的矢量的终点的位置来如所期望地划分区域。这样的方案允许正确地划分用于确定操作模式的区域，精巧地结合了在各个用户中不同的独特的操纵趋向。
在每个区域中，对于每个与典型的所施加的操纵力相关的操作模式，形成基准操纵力(基准操纵力矢量)，即，直行基准矢量Fs、方向改变基准矢量Fc和旋转基准矢量Fr。预先按照基准操纵力的大小适当地形成这些基准操纵力矢量，并且存储为记忆。在这里，可以基于双轴力传感器的典型输出值来适当地确定基准操纵力，所述双轴力传感器的典型输出值将按照用户实际上施加的操纵力(所施加的操纵力、所施加的操纵力矢量)输出。直行基准矢量Fs表示在直行模式中的基准操纵力；方向改变基准矢量Fc表示在方向改变模式中的基准操纵力；旋转基准矢量Fr表示在旋转模式中的基准操纵力。
为了形成基准操纵力，可以在基准操纵力形成模式中由基准操纵力形成装置来设置力输入操纵器，且为每个用户和每个操作模式确定基准操纵力，并存储为记忆。更详细地说，用户实际上在每个操作模式中对力输入操纵器施加一个操纵力，并且由施加操纵力检测器3检测到的这样的操纵力被作为一个基准值存储在基准操纵力存储单元(参考在图6中的基准操纵力存储单元5)中。例如，在直行模式中，用户对操纵手柄2a施加一个他/她舒服的前向的力，并且一旦按下在基准操纵力形成装置中提供的直行模式设置按钮，在那时检测到的该力被存储为“直行模式基准操纵力”(直行基准矢量Fs)。在旋转模式的情况下，用户对操纵手柄2a施加一个他/她舒服的从左向右(在沿着X轴的正方向)的力，并且一旦按下在基准操纵力形成装置中提供的(左)旋转模式设置按钮，在那时检测到的该力被存储为“(左)旋转模式基准操纵力”(旋转基准矢量Fr)。在方向改变模式的情况下，用户对操纵手柄2a施加一个他/她舒服的从向后左转45度到向前右转45度的力，并且一旦按下在基准操纵力形成装置中提供的左转弯模式设置按钮，在那时检测到的该力被存储为“左转弯模式基准操纵力”(方向改变基准矢量Fr)。
可以为不同的用户单独地形成基准操纵力。通过基准操纵力形成装置为每个用户形成单独的基准操纵力允许将用户独特的趋向和唯一特征反映到基准操纵力上，这样基于操纵力为每个操作模式设置适当的基准操纵力，其中所基于的操纵力对于用户是适宜的(舒服的)，即使该用户身体不好也是如此。也可以让每个用户在基准操纵力形成模式中重复地为每个操作模式施加操纵力，以便利用平均操纵力作为每个操作模式的基准操纵力。
图4是用于说明在按照第一个实施例的力输入操纵器2中，通过比较所施加的操纵力和基准操纵力，来选择操作模式的过程的矢量图。以下的描述是在预先已经基于用户施加的操纵力形成了直行基准矢量Fs、方向改变基准矢量Fc以及旋转基准矢量Fr的假定之下进行的。例如，用户实际上施加的带有选择操作模式意图的操纵力的矢量被表示为所施加的操纵力矢量Fi。由所施加的操纵力矢量Fi和直行基准矢量Fs限定的角度被表示为α，由所施加的操纵力矢量Fi和方向改变基准矢量Fc限定角度被表示为β，由所施加的操纵力矢量Fi和旋转基准矢量Fr限定的角度被表示为γ，并且基于角度α、β和γ之中的相互关系(在大小方面的关系)来判断最接近于由用户施加的带有选择操作模式意图的操纵力的基准操纵力。在图4中，该角度被举例说明为α＜β＜γ，因此选择了使角度最小(在这个例子中的角度α)的基准操纵力(基准操纵力矢量)，即，直行基准矢量Fs，由此选择了对应于直行基准矢量Fs的操作模式，即直行模式。
选择操作模式的方法不局限于上述直接从角度判断最接近于所施加的操纵力的基准操纵力从而选择操作模式的方法。
例如，图5是用于解释在按照第一个实施例的力输入操纵器2中，另一个通过比较所施加的操纵力和基准操纵力，来选择操作模式的过程的矢量图。用户实际上施加的带有选择操作模式意图的操纵力的矢量被表示为施加的操纵力矢量Fi。在所施加的操纵力矢量Fi的终点和直行基准矢量Fs的终点之间的距离被表示为D1；在所施加的操纵力矢量Fi的终点和方向改变基准矢量Fc的终点之间的距离被表示为D2；在所施加的操纵力矢量Fi的终点和旋转基准矢量Fr的终点之间的距离被表示为D3；基于距离D1、D2和D3之中的相互关系(在长度方面的关系)来确定最接近于由用户施加的带有选择操作模式意图的操纵力的基准操纵力。在图5中，该距离被举例说明为D2＜D1＜D3，因此选择了对应于最短距离(在这个例子中的距离D2)的基准操纵力(基准操纵力矢量)，即，方向改变基准矢量Fc，由此选择了对应于方向改变基准矢量Fc的操作模式，即，方向改变模式。
作为选择，可以形成相对于每个基准操纵力矢量的所施加的操纵力矢量的投影(投影矢量)，以便确定最接近于所施加的操纵力(所施加的操纵力矢量)的基准操纵力(基准操纵力矢量)，从而选择操作模式。例如，若投影直行矢量Fis的大小(长度)|Fis|被表示为Ficosα，所述投影直行矢量Fis是所施加的操纵力矢量Fi相对于直行基准矢量Fs的投影矢量；投影方向改变矢量Fic的大小(长度)|Fic|被表示为Ficosβ，所述投影方向改变矢量Fic是所施加的操纵力矢量Fi相对于方向改变基准矢量Fc的投影矢量；以及投影旋转矢量Fir的大小(长度)|Fir|被表示为Ficosγ，所述投影旋转矢量Fir是所施加的操纵力矢量Fi相对于旋转基准矢量Fr的投影矢量，由于在这个例子中，矢量大小可以被描述为Ficosα＞Ficosβ＞Ficosγ，对应于具有最接近于所施加的操纵力矢量Fi的大小(长度)|Fi|的大小的投影直行矢量Fi的直行基准矢量Fs被判断为基准操纵力(基准操纵力矢量)，并且因此选择对应于直行基准矢量Fs该操作模式，即，直行模式。
如随后将描述的，在每个操作模式中，在计算运动速度的过程中，也使用所施加的操纵力矢量相对于每个基准操纵力矢量的投影(投影矢量)。例如，可以基于投影直行矢量Fis的大小Ficosα来确定直行模式中的移动速度(行驶速度)。
此外，可以通过上述方法的组合产生用于选择操作模式的多参数估计功能。这样的方案允许执行更加实际的操作模式的选择。
图6是示出按照本发明的控制模块的概要的方框图。由施加操纵力检测器3检测施加于操纵手柄2a的操纵力，操纵手柄2a是操纵单元。如前所述，施加操纵力检测器3具体地是双轴力传感器。自然地，采用具有增强的检测轴(诸如，六轴传感器)的传感器允许执行更加精确的(更加多维的)检测。在操作模式选择器4上，由施加操纵力检测器3检测到的所施加的操纵力(施加操纵力矢量Fi)，与预先确定并存储在基准操纵力存储单元5中的基准操纵力(基准操纵力矢量，诸如直行基准矢量Fs、方向改变基准矢量Fc和旋转基准矢量Fr)相比较，以便确定最接近于所施加的操纵力的基准操纵力，并由此选择对应于该基准操纵力的操作模式。换句话说，操作模式选择器4从相对于多个操作模式预先形成和存储的多个基准操纵力当中，判断最接近于所施加的操纵力的基准操纵力(例如，直行基准矢量Fs、方向改变基准矢量Fc和旋转基准矢量Fr当中的一个)，然后选择对应于该基准操纵力的操作模式。基准操纵力存储单元5可以是内置的存储器，或者便携式辅助存储器设备，例如包含每个单个用户数据的存储卡。
运动控制信号发生器6按照所选的操作模式，计算安装在移动物体1上的电动机8a至8d用于驱动车轮所需的运动速度，并且输出对应于该运动速度的控制信号给电动机控制器7a至7d。电动机控制器7a至7d按照来自运动控制信号发生器6的控制信号，分别提供预定的驱动电流给电动机8a至8d。在图6中，作为一个例子，电动机被示为左驱动电动机8a、右驱动电动机8b、左转向电动机8c和右转向电动机8d。在这里，如参考图4所描述的，还可以基于所施加的操纵力(所施加的操纵力矢量)相对于每个基准操纵力矢量的投影(即，投影矢量)的大小，来计算运动速度。此外，适合于按照操作模式形成运动速度的控制参数，并且在下面将参考图7详细地描述一种形成诸如直行速度和旋转角速度的控制参数的方法。
图7是示出在按照第一个实施例的力输入操纵器2中，操作模式选择和操作速度计算的过程的流程图。以下的描述基于操作模式包括三种模式的假设，即，直行模式、方向改变模式(左转弯或者右转弯模式)以及旋转模式。
首先，施加操纵力检测器3检测到所施加的操纵力(所施加的操纵力矢量)Fi(步骤S1)。换句话说，双轴力传感器在沿着X轴和Y轴的两个方向上检测到力。在这里，所施加的操纵力Fi的X分量可以表示为Fix，并且其Y分量可以表示为Fiy。然后，确定所施加的操纵力Fi(矢量的长度|Fi|＝√(Fix的平方+Fiy的平方))的大小是否低于一个预定值(阈值k)(步骤S2)。如果所施加的操纵力Fi的大小被确定是小于阈值k(在S2上为是)，则确定用户想要的操作模式是直行模式，并且速度是零(即，处于停止模式之中)(步骤S3)。如果所施加的操纵力Fi的大小被确定等于或者大于阈值k(在S2上为否)，则确定用户想要停止模式之外的另一个模式。
然后，操作模式选择器4计算与基准操纵力的相似性(近似性)，其中所述基准操纵力是按照所施加的操纵力Fi和操作模式形成的并且存储在基准操纵力存储单元5中(步骤S4)。换句话说，操作模式选择器4相对于对应操作模式的基准操纵力(例如，直行基准矢量Fs、方向改变基准矢量Fc和旋转基准矢量Fr)，计算所施加的操纵力的投影(投影矢量)的大小(即，投影直行矢量Fis的大小|Fis|、投影方向改变矢量Fic的大小|Fic|和投影旋转矢量Fir的大小|Fir|)。
确定和恢复对应于在所施加的操纵力的计算出的投影大小当中最大的(最接近的)投影矢量的基准操纵力，并且选择对应于所确定和恢复的基准操纵力的操作模式。例如，首先，取决于是否投影直行矢量Fis的大小|Fis|是最大的，确定是否所施加的操纵力对应于直行模式(步骤S5)。如果投影直行矢量Fis的大小是最大的(在S5上为是)，操作模式选择器4选择直行模式(步骤S6)。当选择直行模式的时候，运动控制信号发生器6计算直线移动速度以执行直行模式(步骤S7)。计算与投影直行矢量Fis的大小|Fis|成比例的直线移动速度(在直行模式中的移动速度)在操作移动物体1的过程中提供了更高的可控制性。
如果投影直行矢量Fis的大小不是最大的(在S5上为否)，取决于是否投影旋转矢量Fir的大小是最大的，确定是否所施加的操纵力对应于旋转模式(步骤S8)。如果投影旋转矢量Fir的大小被确定是最大的(在S8上为是)，操作模式选择器4选择旋转模式(步骤S9)。当选择旋转模式的时候，运动控制信号发生器6计算旋转角速度以执行旋转模式(步骤S10)。计算与投影旋转矢量Fir的大小|Fir|成比例的用于旋转运动的旋转角速度在操作移动物体1的过程中提供了更高的可控制性。
如果投影旋转矢量Fir的大小不是最大的(在S8上为否)，操作模式选择器4选择方向改变模式(步骤S11)。当选择方向改变模式的时候，运动控制信号发生器6计算在转动的过程中沿圆周方向上的移动速度(圆周速度)，和相对于旋转中心的旋转角速度，以便执行方向改变模式(步骤S12)。计算与所施加的操纵力Fi的Y分量Fiy成比例的圆周速度和与所施加的操纵力Fi的X分量Fix成比例的旋转角速度，在操作移动物体1的过程中提供了更高的可控制性。
基于步骤S3、S7、S10和S12的设置和计算结果，电动机控制器7a至7d由此确定用于电动机的指令值，并且输出该值作为电动机指令值(步骤S13)。按照具体情况重复上述步骤使得实现了能够基于用户的意图平滑地操作移动物体1的力输入操纵器。此外，在手推车或者扶车中结合配备有上述力输入操纵器的移动物体以便操作该手推车或者扶车，可以实现便于用户操作的手推车或者扶车。
图8A是一个透视图且图8B是一个平面图，分别示出按照本发明第二个实施例的配备有力输入操纵器的移动物体。在图8A中，数字1指定一个移动物体，诸如一个被用来便于运输很难携带的物体的电动手推车。移动物体1配备有例如四组车轮。图8B从上向下看地描述了移动物体1的每个车轮的状态。该四组车轮分别被表示为右前轮1g、右后轮1e、左前轮1h和左后轮1f。在第一个实施例中，仅仅右后轮1e和左后轮1f是驱动轮，其被固定到移动物体1的外壳上，右前轮1g和左前轮1h被枢轴地附接于移动物体1的外壳，以便按照其移动方向旋转。在移动物体1上安装有力输入操纵器2。必要时，用户对力输入操纵器2施加操纵力，以便选择移动物体1的操作模式。在第二个实施例中，像第一个实施例一样，操作模式包括直行模式、方向改变模式和旋转模式。这三个基本操作模式允许所有类型的移动。可以更详细地划分操作模式。
在由图8B中的箭头A指示的直行模式中，右后轮1e和左后轮1f两者在直接向前移动的方向上以相同的旋转速度旋转。在由箭头B指示的向右转弯的模式中，使右后轮1e和左后轮1f按照转弯半径以不同的旋转速度和方向旋转。在由箭头C指示的向右旋转的模式中，使右后轮1e和左后轮1f以相同的速度、但是在相反方向上旋转。以这种方法，仅仅控制左和右后轮的旋转允许改变移动物体1的操作模式，并且可以按照施加于力输入操纵器2的操纵力来选择操作模式。
图9是示出按照第一个实施例的力输入操纵器2的概要的平面图，力输入操纵器2结合进移动物体中用于选择操作模式。力输入操纵器2包括操纵手柄2a和操纵手柄支架2e、2e，其中操纵手柄2a是操纵单元，操纵手柄支架2e、2e实质上彼此平行地放置以便支撑操纵手柄2a的端部。操纵手柄2a包括位于其中部的压力传感器2f，用于在沿着操纵手柄2a的纵向上检测压力，并且操纵手柄支架2e、2e分别包括位于其中部的压力传感器2g、2g，用于在沿着操纵手柄支架2e、2e的纵向上检测压力。
箭头A指示例如移动方向(Y轴)，并且箭头B指示例如向左和向右方向(X轴)。在移动方向(Y轴)中设置二个压力传感器2g、2g也允许基于由压力传感器2g、2g检测到的压力值之间的差值，检测围绕垂直于X轴和Y轴的Z轴的旋转力矩。
压力传感器2f、2g、2g用作施加操纵力检测器(参考在图10中的施加操纵力检测器3)，用于检测在移动方向和在左和右方向上的力和旋转力矩，并且发送检测结果给操作模式选择器(参考在图10中的操作模式选择器4)。操作模式选择器据此基于检测结果选择操作模式，使得移动物体1以期望的操作模式移动。
图10是示出按照本发明的另一个控制模块的概要的方框图。施加于操纵手柄2a的操纵力是由施加操纵力检测器3检测的，操纵手柄2a是操纵单元。如前所述，施加操纵力检测器3具体地是多个压力传感器。在操作模式选择器4上，由施加操纵力检测器3检测到的所施加的操纵力(所施加的操纵力矢量Fi)，与预先确定且存储在基准操纵力存储单元5中的基准操纵力(基准操纵力矢量)相比较，以便确定最接近于所施加的操纵力的基准操纵力，从而选择对应于该基准操纵力的操作模式。换句话说，操作模式选择器4从对于多个操作模式预先形成和存储的多个基准操纵力当中，确定最接近于所施加的操纵力的基准操纵力，然后选择对应于该基准操纵力的操作模式。基准操纵力存储单元5可以是内置的存储器，或者便携式辅助存储器设备，诸如包含每个单个用户的数据的存储卡。
运动控制信号发生器6按照所选的操作模式，计算安装在移动物体1上的电动机8e、8f用于驱动后轮所需的运动速度(旋转速度和旋转方向)，并且输出对应于该运动速度的控制信号给电动机控制器7e、7f。电动机控制器7e、7f按照来自运动控制信号发生器6的控制信号，分别提供预定的激励电流给电动机8e、8f。在图10中，作为一个例子，该电动机被示为右后轮电动机8e和左后轮电动机8f。
图11是示出在按照第二个实施例的力输入操纵器中，操作模式选择和操作速度计算的过程的流程图。以下的描述基于操作模式包括三个模式的假设，即，直行模式、方向改变模式(左转弯或者右转弯模式)以及旋转模式。
首先，施加操纵力检测器3检测所施加的操纵力(所施加的操纵力矢量)，包括由压力传感器检测到的沿着X轴的力和沿着Y轴的力(所施加的操纵力Fi的X分量被表示为Fix，并且Y分量被表示为Fiy)(步骤S101)。
确定在沿着Y轴由压力传感器检测到Fiy1和Fiy2二个力之间的差值的绝对值是否低于预定的阈值ε(步骤S102)，并且如果Fiy1和Fiy2之间的差值的绝对值被确定是低于预定的阈值ε(在S102上为是)，则确定Fiy1和Fiy2实质上是等效的(＝Fiy)(步骤S103)，然后执行类似于第一个实施例的处理。
如果Fiy1和Fiy2之间的差值的绝对值被确定是大于预定的阈值ε(在S102上为否)，则计算围绕Z轴的旋转力矩Mi(步骤S104)。然后，计算对应于相反的旋转力矩-Mi(负的Mi)的后轮旋转速度和方向(步骤S105)，其中相反的旋转力矩-Mi抵销计算出的旋转力矩Mi。
然后，操作模式选择器4计算与基准操纵力的相似性(近似性)，其中所述基准操纵力是按照所施加的操纵力Fi和操作模式形成的并且存储在基准操纵力存储单元5中的(步骤S106)。换句话说，操作模式选择器4相对于对应操作模式的基准操纵力(例如，直行基准矢量Fs、方向改变基准矢量Fc和旋转基准矢量Fr)，计算所施加的操纵力的投影(投影矢量)的大小(即，投影直行矢量Fis的大小|Fis、投影方向改变矢量Fic的大小|Fic|和投影旋转矢量Fir的大小|Fir|)。
确定和恢复对应于在所施加的操纵力的计算出的投影大小当中最大的(最接近的)投影矢量的基准操纵力，并且选择对应于所确定和恢复的基准操纵力的操作模式。例如，首先，取决于是否投影直行矢量Fis的大小|Fis|是最大的，确定是否所施加的操纵力对应于直行模式(步骤S107)。如果投影直行矢量Fis的大小被确定是最大的(在S107上为是)，操作模式选择器4选择直行模式(步骤S108)。当选择直行模式的时候，运动控制信号发生器6考虑到在步骤S105上计算的旋转速度和方向，计算左和右后轮的旋转速度和方向(步骤S109)。这允许抵销由用户的操纵产生的旋转力矩，从而使移动物体1准确地直线移动。
如果投影直行矢量Fis的大小被确定不是最大的(在S107上为否)，取决于是否投影旋转矢量Fir的大小是最大的，确定是否所施加的操纵力对应于旋转模式(步骤S110)。如果投影旋转矢量Fir的大小被确定是最大的(在S110上为是)，操作模式选择器4选择旋转模式(步骤S111)。当选择旋转模式的时候，运动控制信号发生器6考虑到在步骤S105上计算的旋转速度和方向，计算左和右后轮的旋转速度和方向(步骤S112)。这允许抵销由用户的操纵产生的旋转力矩，从而使移动物体1准确地旋转。
如果投影旋转矢量Fir的大小被确定不是最大的(在S110上为否)，操作模式选择器4选择方向改变模式(步骤S113)。当选择方向改变模式的时候，运动控制信号发生器6考虑到在步骤S105上计算的旋转速度和方向，计算左和右后轮的旋转速度和方向(步骤S114)。这允许抵销由用户的操纵产生的旋转力矩，从而使移动物体1以期望的转弯半径改变方向。
基于在步骤S109、S112和S114上计算的左和右后轮的旋转速度和方向，电动机控制器7e、7f据此确定用于电动机的指令值，并且输出该值作为电动机指令值(步骤S115)。按照具体情况重复上述步骤使得实现了能够基于基于用户的意图平滑地操作移动物体1的力输入操纵器。此外，在手推车或者扶车中结合配备有上述力输入操纵器的移动物体以便操作该手推车或者扶车，可以实现便于用户操作的手推车或者扶车。
工业实用性如上详细所述，按照本发明的第一个至第八个方面，由于确定了最接近于按照操作模式预先确定和存储的基准操纵力的基准操纵力，以便选择对应于所确定的基准操纵力的操作模式，可以获得便于用户操作的力输入操纵器，甚至当用户只能对操纵单元施加有限的力时，其允许按照用户的意图选择操作模式。上述力输入操纵器也对常规的用户提供自然的操纵感受。
本发明的第九个至第十一个方面提供配备有按照本发明第一个至第八个方面的力输入操纵器的物体、移动物体、手推车和扶车。因此，可以获得易于使用的、便于用户操作的手推车或者扶车。
权利要求
1.一种力输入操纵器，其按照施加于操纵单元的操纵力来操作物体，包括施加力检测器，其检测施加于所述操纵单元的所述操纵力；操作模式选择器，其从与多个操作模式相关的预先存储的多个基准操纵力当中，确定一个最接近于所述检测到的所施加的操纵力的基准操纵力，并且选择与所述确定的基准操纵力对应的所述操作模式；和运动控制信号发生器，其输出用于按照所选的操作模式控制所述物体的运动的运动控制信号。
2.如权利要求1所述的力输入操纵器，还包括用于基于所述施加的操纵力来形成和存储所述基准操纵力的装置。
3.如权利要求1或者2所述的力输入操纵器，其中所述施加力检测器是双轴力传感器，其检测作用在相对于所述物体的方向上以及作用在与第一个提及的方向横切的另一个方向上的力。
4.如权利要求1或者2所述的力输入操纵器，其中所述施加力检测器包括多个力传感器，在所述多个力传感器中至少二个传感器被用于一个方向。
5.如权利要求1至4的任何一个所述的力输入操纵器，其中所述操作模式是直线移动、改变方向和旋转中的一个。
6.如权利要求1至5的任何一个所述的力输入操纵器，其中所述操作模式选择器相对于每个基准操纵力存储由所述力的大小和作用方向限定的判定区域，以便基于其大小和作用方向，指定所述施加的操纵力所属的所述判定区域，从而确定最接近于所述施加的操纵力的所述基准操纵力。
7.如权利要求1至5的任何一个所述的力输入操纵器，其中所述操作模式选择器具有如下功能基于在所述施加的操纵力的作用方向和所述基准操纵力的作用方向之间的方向上的差值，确定最接近于所述施加的操纵力的所述基准操纵力。
8.如权利要求1至5的任何一个所述的力输入操纵器，其中所述操作模式选择器具有如下功能利用所述施加的操纵力的大小和作用方向以及所述基准操纵力的大小和作用方向，计算在由所述大小和所述方向限定的二维空间中的距离，以及基于所述计算出的距离长度，确定最接近于所述施加的操纵力的所述基准操纵力。
9.一种包括如权利要求1至8的任何一个所述的力输入操纵器的移动物体，以便按照由所述运动控制信号发生器输出的所述运动控制信号来进行移动。
10.一种包括如权利要求9所述的移动物体的手推车。
11.一种包括如权利要求9所述的移动物体的扶车。
全文摘要
提供了一种用于移动物体的操纵器，和包括这样的操纵器的手推车和扶车，所述操纵器允许以自然感受毫不费力地操作移动物体而不管用户的身体条件。基于用户施加的操纵力预先形成直行基准矢量Fs、方向改变基准矢量Fc以及旋转基准矢量Fr。由用户施加的操纵力的矢量(所施加的操纵力矢量Fi)和直行基准矢量Fs限定的角度被表示为α，由所施加的操纵力矢量Fi和方向改变基准矢量Fc限定的角度被表示为β，由所施加的操纵力矢量Fi和旋转基准矢量Fr限定的角度被表示为γ。此处，该角度被举例说明为α＜β＜γ，并且选择与形成最小角度(α)的基准操纵力矢量(在该实例中为直行基准矢量Fs)相关的移动模式(在该实例中为直行模式)。
文档编号B62B5/00GK1747866SQ20048000373
公开日2006年3月15日 申请日期2004年2月16日 优先权日2003年2月17日
发明者片冈信哉, 东条直人 申请人:三洋电机株式会社