JP2012236512A - 車両用立位姿勢保持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の旋回時に、立位姿勢の着座者の姿勢を的確に保持することを課題とする。
【解決手段】車両１０に立位姿勢で着座した着座者１２の立位姿勢を保持する車両用立位姿勢保持装置において、着座者１２の足裏に接触して着座者１２の足を支持し、車両１０の床面フロア１７に対して着座者１２の左右の足に相対的な高低差を形成する荷重支持装置１３と、車両１０の旋回時に、着座者１２の左右の足に相対的な高低差が形成されるように荷重支持装置１３を制御する制御ユニット１６とを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に立位姿勢で着座した着座者の姿勢を保持する車両用立位姿勢保持装置に関する。

従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献には、立位姿勢で着座運転する際のシート装置の技術が提案されている。このシート装置は、背もたれ部とシート部とによって形成された背もたれパットを備え、この背もたれパットが昇降調整機構を介して運転席に取り付けられている。これにより、運転姿勢の選択を可能として、長時間運転による着座者の疲労を軽減している。

特開２００５−１３２５２５号公報

上記従来のシート装置において、着座者が搭乗している車両が旋回運動する際に、発生する旋回加速度（着座者に対する遠心力）の作用で、着座者の身体に働く慣性により臀部や脚部がシート部分から容易に離れてしまうおそれがあった。また、足部(踵部)で体重を支持しているため、旋回外側(体幹が移動してしまう方向)に足部の沈み込む量が増加してしまうおそれがあった。これらのことから、車両の旋回時に、着座者の姿勢を保持するのが困難になるといった不具合を招いていた。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、車両の旋回時に、立位姿勢の着座者の姿勢を的確に保持する車両用立位姿勢保持装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、車両の旋回時に、車両の床面に対して車両に立位姿勢で着座した着座者の左右の足に相対的な高低差を形成することを特徴とする。

本発明によれば、車両の旋回外側の足における車両の床面からの高さが、旋回内側の足における車両の床面からの高さよりも高くなるように制御されるので、着座者の立位姿勢を的確に保持することが可能となる。

本発明の実施形態１に係る車両用立位姿勢保持装置が設けられた車両の構成を示す図である。 本発明の実施形態１に係る、車両用立位姿勢保持装置における制御ユニットの構成を示す図である。 本発明の実施形態１に係る、車両用立位姿勢保持装置における動作処理の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施形態１に係る、着座者１２の立位姿勢状態を示す正面図である。 車両の車線変更動作と、横加速度ならびに躍度との関係を示す図である。 本発明の実施形態２に係る、車両用立位姿勢保持装置における動作処理の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施形態２に係る、車両の旋回動作と、旋回動作時における横加速度と躍度の関係、ならびに横加速度と躍度との線形結合の関係を示す図である。 本発明の実施形態３に係る、車両用立位姿勢保持装置が設けられた車両に着座した着座者１２の立位姿勢状態を示す正面図である。 本発明の実施形態３に係る、車両の旋回方向の躍度と荷重支持部の高さ変位の目標値の対応関係を示す図である。

以下、図面を用いて本発明を実施するための実施形態を説明する。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る車両用立位姿勢保持装置が設けられた車両の構成を示す図であり、同図（ａ）は上面図、同図（ｂ）は側面図、同図（ｃ）は正面図である。図１に示す実施形態１において、車両１０の操縦者（運転者）は、乗員支持装置（シート装置）１１により略立位姿勢で着座が可能となるように支持される。略立位姿勢で着座した着座者１２は、車両１０の旋回時に車両用立位姿勢保持装置によりその立位姿勢が保持される。車両用立位姿勢保持装置は、荷重支持装置１３、アクチュエータ１４、加速度センサ１５、制御ユニット１６を備えている。

荷重支持装置１３は、車両１０の床面フロア１７に設けられた荷重支持部１３１と、荷重支持部１３１を回転させる回転軸１３２とを備えて構成される。荷重支持部１３１は、その支持面（表面）がシート装置１１により支持されて着座した着座者１２の足裏に接地（接触）して着座者１２の下肢を支持する。したがって、荷重支持部１３１は、シート装置１１により支持されて着座した着座者１２の足裏が接触する位置の床面フロア１７上に設けられる。

荷重支持部１３１は、その中央部の車両１０の前後方向に回転軸１３２が設けられている。この回転軸１３２は、アクチュエータ１４により回転駆動される。荷重支持部１３１は、回転軸１３２の回転により車両１０の床面フロア１７に対して独立して、回転軸１３２を中心に左右方向（車両１０の前後方向に対して垂直方向）に可動して傾斜する。荷重支持部１３１は、その傾斜により回転軸１３２を境とした左右の支持面に、床面フロア１７からの相対的な高さ変位を形成する。このような作用により、荷重支持装置１３は、車両１０の床面フロア１７に対して独立して、着座者１２の右足を上昇かつ左足を下降させ、あるいは着座者１２の右足を下降かつ左足を上昇させて着座者１２を支持する機能を有している。すなわち、荷重支持装置１３は、着座者１２の足裏に接触して着座者１２の足を支持し、車両１０の床面フロア１７に対して着座者１２の左右の足に相対的な高低差を形成する荷重支持手段として機能する。

車両１０を操縦運転する着座者１２に対して、操作装置として腕による操作系（ハンドルやアーム等）と足による操作系（ペダル等）が構成されるが、足による操作系は、荷重支持装置１３の荷重支持部１３１上に設置することができる。

アクチュエータ１４は、制御ユニット１６から与えられる駆動信号に基づいて、荷重支持装置１３の回転軸１３２を回転駆動する。

加速度センサ１５は、車両１０が旋回時に車両の側方向（横方向）の横加速度を検出し、検出した横加速度を制御ユニット１６に与える。

制御ユニット１６は、図２に示すように、躍度演算部１６１、傾斜量演算部１６２、アクチュエータ駆動部１６３を備えて構成され、アクチュエータ１４を駆動制御することで荷重支持装置１３の傾斜動作を制御する。

図２において、躍度演算部１６１は、加速度センサ１５で検出された横加速度を入力し、この横加速度を微分して躍度（加加速度＝加速度の時間変化）を演算する。

傾斜量演算部１６２は、躍度演算部１６１で算出された躍度に基づいて、荷重支持部１３１の傾斜量を演算する。傾斜量は、例えば（躍度×係数）として算出することができる。ここで、上記係数は、予め実機による実験やシミュレーションなどの机上解析等によって傾斜量と躍度との対応関係を求め、それらの対応関係を規定するものとして設定される。この対応関係は、例えばマップとして制御ユニット１６に記憶されて用意される。

アクチュエータ駆動部１６３は、傾斜量演算部１６２で算出された傾斜量に基づいて、アクチュエータ１４を駆動制御する駆動信号を生成し、生成した駆動信号をアクチュエータ１４に与えてアクチュエータ１４を駆動制御する。すなわち、アクチュエータ駆動部１６３は、荷重支持装置１３の荷重支持部１３１が傾斜量演算部１６２で算出された傾斜量となるようにアクチュエータ１４を駆動制御する。

このような制御ユニット１６は、予め内部に保有するプログラム（制御ロジック）に基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。したがって、アクチュエータを駆動制御する一連の処理は、制御手段という、ソフトウェアとハードウェア資源とが協働した具体的な手段（制御ユニット１６）によって実現されたものである。

図３はこの実施形態１に係る、荷重支持装置１３を制御する際の制御手順を示すフローチャートである。図３において、先ず加速度センサ１５で検出された横加速度を躍度演算部１６１に読み込んだ後（ステップＳ３０）、横加速度（α）を微分して躍度（Ｊ）を算出する（ステップＳ３１）。続いて、算出した躍度（Ｊ）に前述した係数（ａ）を乗算して傾斜量（Ｈ）を算出する（ステップＳ３２）。次いで、算出した傾斜量に基づいて、駆動信号を生成し、生成した駆動信号をアクチュエータ１４に出力してアクチュエータ１４を駆動制御する（ステップＳ３３）。このような手順を実行することで、荷重支持装置１３の荷重支持部１３１を傾斜させる。

図４は着座者１２の立位姿勢状態を示す正面図であり、同図（ａ）は車両１０の直進または停止時、同図（ｂ）は車両１０の旋回、例えば右旋回時の様子を示している。

図４において、車両１０の一般的な走行中に左右の旋回に伴って、略立位姿勢を保って車両１０に着座している着座者１２が車両１０より遠心力を受けると、自身の慣性により旋回方向外側へ身体、下肢を中心として特に体幹部にモーメントが作用する。このような状況において、荷重支持装置１３は、足が体荷重の一部を分担し、その旋回外側の足（踵部）が旋回内側の足よりも相対的に高さが高くなるように制御される。すなわち、荷重支持装置１３は、旋回外側の足が旋回内側の足よりも相対的に高さが高くなるように荷重支持部１３１が傾斜する。これにより、立位姿勢が車外地面に対して垂直に起立する向きに反モーメントを作用させ、旋回による身体の傾きを押し戻すことが可能となる。

したがって、車両１０の旋回等の車両運動に際して、着座者１２の姿勢保持に要する筋力を相対的に低減することとが可能となる。上記筋力は、伸筋と屈筋が同時に収縮して拮抗筋力を発生して、関節の回転固定トルクを増強して関節を固定することで、より安定的な姿勢を保持しようとする力である。これにより、長時間の着座に対して筋肉の違和感を低減させるとともに、安心感を向上させることができる。

また、この作用により、姿勢を保持しようとする着座者１２の負担、特に下肢および体幹の筋肉作用を補助することが可能となる。これにより、着座者１２の姿勢を旋回時においても安定化させることができる。

なお、身体に生じる負荷は、単に発生する筋力ではなく、拮抗する筋肉による下肢関節および体幹関節（脊柱）の固定等の筋力が旋回外側脚部から旋回内側脚部へ分担が移動することと同じであるので、筋肉負担の局在化を防ぎ、違和感を低減することができる。

また、車両１０が旋回するときには、床面フロア１７の旋回外側が下降傾斜するので、荷重支持装置１３は、左右の足の相対的な高さがこの下降傾斜に対して反対方向の傾斜面を形成する。これにより、車外の地面に対する着座者１２の頭部傾斜角度は、車両１０の停止時あるいは定常直進時に近い浅いものとなる。その結果、視野の傾斜を緩和して運転操作に対して姿勢保持に対する安心感を向上することができる。

図５は車両の旋回動作例えば一般的な車線変更動作と、横加速度ならびに躍度との関係を示す図である。図５において、同図（ａ）は車速８０ｋｍ／ｈ程度での車線変更時の車両の前方（ｘ方向）ならびに側方（ｙ方向）の毎時の移動量を示し、同図（ｂ）は同図（ａ）に対応した横加速度ならびに躍度の時間変化を示している。

図５において、単に加速度の時間変化を追っていくと旋回初期の大きさが緩慢であり、着座者１２の荷重変化への対応を遅らせてしまう可能性がある。また、最大加速度を受ける図５における２秒時は、すでに次の車両運動（左旋回から右旋回へ）と移行を開始する。このときには、着座者１２の荷重変化を次のステップへと変化させるべく、荷重支持部１３１の支持面の高さを躍度が示すような逆方向に制御を移行する必要がある。したがって、この実施形態１で採用した、躍度に基づいて荷重支持装置１３を制御することで、車両１０の挙動変化に追随同期して着座者１２の姿勢を安定化させることが可能となる。

また、身体の姿勢を保持するような筋肉には、筋肉の伸びを感知する受容器の機能があり、身体姿勢保持ではこの受容器による刺激に対して脳での指令なしに瞬時に対応する反射機能（体性反射）により姿勢の変化を補正する仕組みが作用している。そのため、荷重値（加速度）そのものではなく、荷重変化値（躍度＝加加速度：加速度変化）を変数にして足部の高さ変位を制御することで、着座者１２の感覚にも同期した自然な姿勢保持の補助が可能となる。

このように、上記実施形態１では、車両の旋回運動に際して着座者身体の側方へ加速度(遠心力)が作用した際に、荷重支持装置１３によって支えられてる着座者１２の左右の足(踵部)の高低差が変位する。すなわち、荷重支持部１３１の傾斜により、身体の対地移動方向（遠心力の方向）の足元が反対側の足元に対して高くなるように押し上げられる。これにより、体幹の重心軸が、正面視において旋回時の旋回外側位置から旋回内側方向に向かって移動する。この結果、体幹（身体の上半身）全体が停止時あるいは定常直進時時に近いような対地垂直状態で安定して保持することができる。

また、車両１０の旋回に伴う着座者１２への作用は、遠心力による旋回加速度の変化が足部（踵部）からの自重による荷重の変化として表れる。このことに着目して、荷重（力）の変化、すなわち加速度の変化（躍度）に基づいて左右の足の相対的な高低差を発生、制御することで、着座者１２の姿勢保持に供する筋肉の作用に同期した素早い足部支持の補助が可能となる。これにより、車両の旋回時に、着座者の姿勢を迅速かつ的確に保持することが可能となる
（実施形態２）
図６はこの実施形態２に係る、荷重支持装置１３を制御する際の制御手順を示すフローチャートである。この実施形態２では、制御における変数として、躍度のみならず作用する加速度を線形結合的に取り込むようにしている。これにより、一定加速度状態、すなわち定常旋回や路面状況による車両１０の定常的な傾斜継続時に、着座者１２の荷重支持部１３１の相対高さ変位を制御することを可能としている。なお、一定加速度状態の判別は、加速度値にある閾値を設け、この閾値よりも大きな加速度が生じる場合においてはその後の加速度定常状態が推定されるものとして、躍度による制御に加えて加速度も制御変数へ加える。その際に、加速度と躍度を線形結合した形式で導入することが考えられる。

図６において、先ず加速度センサ１５で検出された横加速度を躍度演算部１６１に読み込んだ後（ステップＳ６０）、横加速度（α）を微分して躍度（Ｊ）を算出する（ステップＳ６１）。続いて、加速度が上記閾値（α０）よりも大きいか否かを判別する（ステップＳ６２）。判別の結果、加速度が閾値以下である場合は、算出した躍度（Ｊ）に先の実施形態１で説明した係数（ａ）を乗算して傾斜量（Ｈ）を算出する（ステップＳ６３）。

一方、加速度が閾値以上である場合には、算出した躍度（Ｊ）に先の実施形態１で説明した係数（ａ）を乗算し、加速度に係数（ａ）とは異なる係数（ｂ）を乗算し、双方の乗算結果を加えて傾斜量（Ｈ）を算出する（ステップＳ６４）。次いで、ステップＳ６３またはステップＳ６４で算出した傾斜量に基づいて、駆動信号を生成し、生成した駆動信号をアクチュエータ１４に出力してアクチュエータ１４を駆動制御する（ステップＳ６５）。このような手順を実行することで、荷重支持装置１３の荷重支持部１３１を傾斜させる。

上記係数（ｂ）は、予め実機による実験やシミュレーションなどの机上解析等によって傾斜量と加速度との対応関係を求め、それらの対応関係を規定するものとして設定される。この対応関係は、例えばマップとして制御ユニット１６に記憶されて用意される。なお、係数（ａ）と係数（ｂ）は、ａ＋ｂ＝１として設定される。

図７は車両の旋回動作と、旋回動作時における横加速度と躍度の関係、ならびに横加速度と躍度との線形結合の関係を示す図である。図７において、同図（ａ）は車速８０ｋｍ／ｈ程度での旋回動作時における車両の毎時の移動量（２次元、ｘ軸およびｙ軸）を示している。同図（ｂ）は同図（ａ）に対応した横加速度、躍度ならびに横加速度と躍度との線形結合の関係における時間変化を示している。

図７（ａ）に示すような定常円旋回の例では、単に躍度のみで車両運動を決定してしまう場合は、最大加速度変化率を示した後、支持面の高さ設定値は躍度とともに零に漸近してしまうことになる。しかし、このとき加速度は変化しないが加速度値そのものは存在するので、図７に示す横加速度と躍度との線形結合の関係に示すような一定の支持面の相対高さを保つ制御を行うことで、最も適切な身体安定化を実現するができる。

このように、上記実施形態２では、車両１０の旋回時に、旋回外側の足部の高さを相対的に高くする制御において、加速度により左右足部の相対的な高さの大きさ（値）およびその高さの保持（時間）の制御を加えることが可能となる。これにより、定常的な旋回あるいは路面状況などによる車両の定常的な傾きに対応するといった一定時間の足部相対高さの保持が必要な場合に、着座者１２の姿勢保持を補助をすることができる。

（実施形態３）
図８は本発明の実施形態３に係る車両用立位姿勢保持装置を採用した際の、着座者１２の立位姿勢状態を示す正面図であり、同図（ａ）は車両１０の直進または停止時、同図（ｂ）は車両１０の旋回、例えば右旋回時の様子を示している。

この実施形態３において、先の実施形態１と異なる点は、荷重支持装置１３に代えて荷重支持装置８０を設け、着座者１２の足の高さ変位の目標値を設定して制御するようにしたことである。

荷重支持装置８０は、荷重支持部８０１（８０１ａ、８０１ｂ）とアクチュエータ８０２を備えて構成される。荷重支持部８０１は、着座者１２の左右の足をそれどれ独立して個別に床面フロア１７からの高さを変位させる。すなわち、荷重支持部８０１は、着座者１２の左右の足にそれぞれ対応して独立した荷重支持部８０１ａ、８０１ｂを備えている。荷重支持部８０１は、荷重支持部８０１ａによって着座者１２の右足の高さを変位させ、荷重支持部８０１ｂによって着座者１２の左足の高さを変位させる。これにより、荷重支持装置８０は、着座者１２の足裏に接触して着座者１２の足を支持し、車両１０の床面フロア１７に対して着座者１２の左右の足に相対的な高低差を形成する荷重支持手段として機能する。

アクチュエータ８０２は、制御ユニット１６から与えられる駆動信号に基づいて、それぞれの荷重支持部８０１ａ、８０１ｂを駆動してその高さを独立して個別に変位させる。

制御ユニット１６は、図９に示す対応関係にしたがって荷重支持部８０１ａ、８０１ｂの高さ変位の目標値を設定する。図９は車両１０の旋回方向の躍度（横軸）と荷重支持部８０１ａ、８０１ｂの高さ変位の目標値（縦軸）の対応関係を示す図である。これらの対応関係は、予め実機による実験やシミュレーションなどの机上解析等によって求め、例えばマップとして制御ユニット１６に記憶されて用意される。なお、先の実施形態２で採用した技術、すなわち躍度に加速度を加味した線形結合関係にしたがって荷重支持部８０１ａ、８０１ｂの高さ変位の目標値を設定するようにしてもよい。その場合には、躍度に加速度を加えた値と高さ変位の目標値との関係を予め実機による実験やシミュレーションなどの机上解析等によって求め、例えばマップとして制御ユニット１６に記憶して用意しておく。

図８に戻って、例えば車両１０が右旋回する場合には、荷重支持部８０１ｂが上昇変位して着座者１２の左足の高さを上昇させることで、先の実施形態１と同様に旋回外側の足が旋回内側の足よりも相対的に高さが高くなるように制御している。これとは逆に、荷重支持部８０１ａが下降変位して着座者１２の右足の高さを下降させることで、先の実施形態１と同様に旋回外側の足が旋回内側の足よりも相対的に高さが高くなるように制御することもできる。また、上記動作を組み合わせて同時に実施し、旋回外側の足を上昇させ、かつ旋回内側の足を下降させて、着座者１２の左右の足に相対的な高低差を形成することもできる。なお、車両１０が左旋回する場合は、上記とは左右の足の高さが逆となるように制御される。

このように、上記実施形態３では、荷重を支持している左右足部の相対的な高さの変位を左右独立に変化させることができる。これにより、旋回外側の足のみを上昇させて着座者１２の姿勢保持を補助することが可能となり、もしくは旋回内側の足のみを下降させて同じく着座者１２の姿勢保持を補助することが可能となる。また、これら上昇ならびに下降動作を連動させて旋回外側の足部を高くしかつ旋回内側の足部を低くするように変化させてことも可能となる。これにより、旋回外・内側の足部の相対的な高低差を設定する際の自由度を高めることができる。なお、この自由度は車室内などの空間に関わる高さ等の制約や着座者１２の身体的特徴、特に身長に対応して、単に荷重支持部を上昇あるいは下降できない場合に有効な施策に供することができる。

１０…車両
１１…シート装置
１２…着座者
１３，８０…荷重支持装置
１４，８０２…アクチュエータ
１５…加速度センサ
１６…制御ユニット
１７…床面フロア
１３１，８０１，８０１ａ，８０１ｂ…荷重支持部
１３２…回転軸
１６１…躍度演算部
１６２…傾斜量演算部
１６３…アクチュエータ駆動部

Claims (4)

1. 車両に立位姿勢で着座した着座者の姿勢を保持する車両用立位姿勢保持装置において、
   前記着座者の足裏に接触して前記着座者の足を支持し、前記車両の床面に対して前記着座者の左右の足に相対的な高低差を形成可能な荷重支持手段と、
   前記車両の旋回時に、前記車両の旋回外側の足における前記車両の床面からの高さが、旋回内側の足における前記車両の床面からの高さよりも高くなるよう、前記着座者の左右の足に相対的な高低差を形成するように前記荷重支持手段を制御する制御手段と
   を有することを特徴とする車両用立位姿勢保持装置。
2. 前記車両の前後方向に対して横方向の加速度を検出する加速度検出手段を備え、
   前記荷重支持手段は、前記制御手段が前記加速度検出手段で検出された加速度を微分して算出した躍度に基づいて、前記車両の旋回方向外側の足における前記車両の床面からの高さが、前記車両の旋回方向内側の足における前記車両の床面からの高さよりも高くなるように制御される
   ことを特徴とする請求項１に記載の車両用立位姿勢保持装置。
3. 前記車両の前後方向に対して横方向の加速度を検出する加速度検出手段を備え、
   前記荷重支持手段は、前記加速度検出手段で検出された加速度、ならびに前記制御手段が前記加速度検出手段で検出された加速度を微分して算出した躍度に基づいて、前記車両の旋回方向外側の足における前記車両の床面からの高さが、前記車両の旋回方向内側の足における前記車両の床面からの高さよりも高くなるように制御され、かつその制御状態が保持される
   ことを特徴とする請求項１に記載の車両用立位姿勢保持装置。
4. 前記荷重支持手段は、着座者の左右の足をそれぞれ独立して個別に上昇もしくは下降させて、前記着座者の左右の足に相対的な高低差を形成する
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の車両用立位姿勢保持装置。

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