JP2008110726A - 倒立振子型移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】
安定して段差のある路面を走行可能な倒立振子型移動体を提供する。
【解決手段】
本発明にかかる倒立振子型移動体１００は、左右にそれぞれ駆動ユニット２を備えている。それぞれの駆動ユニット２は、駆動アクチュエータ２５によって回転される駆動輪２１と、駆動輪２１に対して離間して配置された従動輪２２と、駆動輪２１の外周面と従動輪２２の外周面が内周面に接し、走行時に地面と接する無限軌道２３を備えている。駆動ユニット２は、回転制御され、駆動輪２１と従動輪２２の接地が制御されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は倒立振子型移動体に関し、特に倒立振子型移動体の駆動機構に関する。

倒立振子型移動体は、通常、左右の駆動輪を駆動して安定状態を維持するように重心位置を修正しつつ、移動を行なうように制御している（例えば、特許文献１参照）。

さらに、左右のそれぞれに、２つの車輪を有する移動体も提案されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２に開示された移動体は、左右それぞれの２つの車輪の双方が接地した状態で走行する４輪走行のみならず、左右それぞれ１つの車輪が接地した状態で走行する２輪走行も可能である。
特開平４−２０１７９３号公報 特表２００３−５０１１４６号公報

しかしながら、特許文献２に開示された移動体は、４輪走行を行なう場合でも４輪のそれぞれが独立して接地するため、接地面積が少なく、安定した走行を行なうことが困難であった。特に、このような駆動機構では、安定して段差を昇降することは難しい。さらに、特許文献２に開示された移動体は、２輪走行と４輪走行が切替可能であるとしても、右側で２つの車輪が接地している場合に左側も２つの車輪が接地し、また、右側で１つの車輪が接地している場合には左側も１つの車輪が接地する機構を有する。従って、車体の進行方向に対して左右方向に傾斜した路面や段差を走行すると搭乗者の搭乗姿勢も傾斜し、安定した走行が困難となり、乗り心地が悪化するという問題点があった。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、第１に、安定して段差のある路面を走行可能な倒立振子型移動体を提供することを目的とする。さらに、本発明は、第２に、車体の進行方向に対して左右方向に傾斜した路面や段差を安定して走行することが可能な倒立振子型移動体を提供することを目的とする。

本発明にかかる倒立振子型移動体は、左右にそれぞれ駆動ユニットを備えた倒立振子型移動体であって、前記駆動ユニットは、駆動アクチュエータによって回転される駆動輪と、前記駆動輪に対して離間して配置された回転輪と、前記駆動輪の外周面と回転輪の外周面が内周面に接し、走行時に地面と接する無限軌道と、当該駆動ユニットを回転制御し、前記駆動輪と、前記回転輪の接地を制御する駆動ユニット回転機構（例えば、本実施の形態における駆動ユニット回転用アクチュエータ２６及び制御コンピュータ４１）を有するものである。このような構成により、段差のある路面であっても安定して走行することが可能となる。

ここで、左右の駆動ユニット回転機構は、それぞれ独立して、駆動ユニットの回転制御が可能であることが好ましい。これにより、車体の進行方向に対して左右方向に傾斜した路面や段差を安定して走行することができる。

特に、前記倒立振子型移動体が左右方向に傾斜した状態で走行する場合に、前記左右の駆動ユニット回転機構は、左右の駆動ユニットの回転角を異ならせて、車体が地面に対して左右方向に平行になるように駆動ユニットを回転制御することが好ましい。

さらに、車体の傾きを検出する傾き検出手段を有し、前記左右の駆動ユニット回転機構は、前記傾き検出手段によって検出された車体の傾きに応じて前記駆動ユニットを回転制御することによって、自動的に、傾斜路面における安定走行が可能となる。

前記回転輪は、回転自在に駆動ユニットに保持された従動輪であってもよく、前記回転輪は、駆動アクチュエータによって回転制御される駆動輪であってもよい。

本発明によれば、安定して段差のある路面を走行可能な倒立振子型移動体を提供することができ、さらに、車体の進行方向に対して左右方向に傾斜した路面や段差を安定して走行することが可能な倒立振子型移動体を提供することができる。

発明の実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる倒立振子型移動体の側面図である。図１は、特に、通常走行である２輪走行を行なう場合の構成を示している。当該倒立振子型移動体１００は、車体１と駆動ユニット２を備えている。車体１は、搭乗者が座って、この倒立振子型移動体１００を操縦可能な搭乗席を有する。車体１は、図１には図示していないが、ハウジング内に、操縦モジュール、バッテリモジュール、制御モジュール等が収納されている。

駆動ユニット２は、後で詳述するように、左右に１対を有する。それぞれの駆動ユニット２は、駆動輪と、駆動輪に対して離間して配置された従動輪を備えており、駆動輪と従動輪は、無限軌道（キャタピラ、ベルト、チューブタイヤ等）によって連結され、無限軌道が接地し、回転駆動されることによって走行が可能となる。

図１で示されるように、本発明の実施の形態１にかかる倒立振子型移動体１００は、通常走行時には、駆動ユニット２における駆動輪側の無限軌道が接地した状態で倒立制御され、走行動作を行う。

悪路や雪道等のように路面状態が悪い場合には、図２に示されるように、駆動ユニット２が駆動輪の回転軸周りに回転し、駆動輪側のみならず、従動輪側の無限軌道も接地した状態で走行動作を行う。図３に示されるように、階段を昇降する場合にも、図２と同様に、駆動輪及び従動輪の双方における無限軌道が接地した状態で走行動作を行う。

図４に通常走行時の駆動ユニットの概略構成を示す。通常走行時に接地される駆動輪２１は、駆動モータ等のアクチュエータによって回転駆動される。通常走行時に上方に配置された従動輪２２は、軸受部等によって回転可能に駆動ユニットに固定されている。駆動輪２１の外周面の外半分と従動輪２２の外周面の外半分とが、内周面に接する無限軌道が駆動輪２１及び従動輪２２に取り付けられている。駆動輪２１の回転力は、無限軌道２３により従動輪２２に伝達され、これにより従動輪２２が回転する。

図５に駆動ユニットの構成例を示す。駆動ユニット２のハウジング２４には、駆動アクチュエータ（駆動モータ）２５、駆動ユニット回転用アクチュエータ２６のロータ２６２、減速機２７、軸受部２８を備えている。

駆動輪２１の回転軸は減速機２７に接続されて、また、駆動モータ２５の回転軸も減速機２７に接続されている。駆動モータ２５によって生じる回転軸の回転は、減速機２７によって所定の回転速度に調整された後に、駆動輪２１の回転軸に伝わり、当該駆動輪を所定の回転速度で回転させる。

駆動ユニット回転用アクチュエータ２６は、駆動モータ２５の回転軸と同じ軸回りに、駆動ユニット２を車体１に対して回転させる機能を有し、駆動ユニット２を回転させることによって、駆動輪２１側の無限軌道２３のみが接地した状態か、従動輪２２側の無限軌道２３のみが接地した状態か、あるいは駆動輪２１側と従動輪２２側の無限軌道２３の双方が接地した状態かを切り替える。この駆動ユニット回転用アクチュエータ２６は、駆動モータにより構成され、ステータ２６１とロータ２６２を有している。ロータ２６２は、駆動モータ２５の回転軸と同心円となる位置、即ち、この回転軸から同じ距離上に円弧状に配置されている。ステータ２６１は、ロータ２６２から一定距離だけ離間してその周囲に設けられている。

従動輪２２の回転軸は、軸受部２８に回転自在に保持されている。上述のように、駆動輪２１は、無限軌道２３によって従動輪２２に連結されているから、駆動輪２１が回転すると、無限軌道２３を通じて従動輪２２も回転する。

駆動輪２１と従動輪２２の直径は、同じであってもよいが、図５に示されるように、駆動輪２１の方が従動輪２２よりも直径が大きくてもよい。駆動輪２１の直径を大きくすることによって、駆動モータ２５と接続された駆動輪２１側に対するトルク負荷を大きくすることができるため、安定して走行することが可能となる。

図６に駆動ユニットの他の構成例を示す。図５に示す構成例では、駆動ユニット回転用アクチュエータ２６と駆動モータ２５の回転軸を一致させたが、図６に示す構成例では、両者が一致していない。

具体的には、図６に示されるように、駆動ユニット回転用アクチュエータ２９の回転軸が減速機３０に接続され、減速機３０の回転軸がフレーム２４の駆動輪２１と従動輪との間の所定位置に固定されている。駆動ユニット回転用アクチュエータ２９の回転軸を回転させると、減速機３０の回転軸が回転し、そして、駆動ユニット２が当該固定位置回りに回転する。

続いて、本発明の実施の形態にかかる倒立振子型移動体の制御系について図７を参照しつつ説明する。制御コンピュータ４１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により構成され、ＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することにより、倒立制御や走行制御を実行する。

制御コンピュータ４１には、車体１の傾きを検知する傾き検出手段であるジャイロセンサ４２が接続されている。ジャイロセンサ４２は、車体１の傾斜角速度を検出し、検出信号を制御コンピュータ４１に出力する。

また、制御コンピュータ４１には、駆動回路４３，４６が接続されている。駆動回路４３は、右側の駆動輪２１と減速機２７を介して接続された右輪用モータ４４と接続され、制御コンピュータ４１からのトルク指令値に応じて、当該右輪用モータ４４を駆動する。同様に、駆動回路４６は、左側の駆動輪２１と減速機２７を介して接続された左輪用モータ４７と接続され、制御コンピュータ４１からのトルク指令値に応じて、当該左輪用モータ４７を駆動する。

右輪用モータ４４のエンコーダ４５及び左輪用モータ４７のエンコーダ４８は、それぞれ制御用コンピュータ４１に接続されている。各エンコーダ４５，４８において検出されたモータ４４，４７の回転角度は、制御コンピュータ４１に出力される。

制御コンピュータ４１は、各エンコーダ４５，４８において検出されたモータ４４，４７の回転角度やジャイロセンサ４２によって検出された車体１の傾斜角速度に応じて、周知のフィードバック制御により、モータ４４，４７を駆動制御し、倒立制御及び走行制御を実行する。

また、制御コンピュータ４１には、駆動回路４９，５２が接続されている。駆動回路４９は、右側の駆動ユニット２を回転させる右ユニット回転用モータ５０と接続され、制御コンピュータ４１からのトルク指令値に応じて、当該右ユニット回転用モータ５０を駆動する。同様に、駆動回路５２は、左側の駆動ユニット２を回転させる左ユニット回転用モータ５３と接続され、制御コンピュータ４１からのトルク指令値に応じて、当該左ユニット回転用モータ５３を駆動する。

右ユニット回転用モータ５０のエンコーダ５１及び左ユニット回転用モータ５３のエンコーダ５４は、それぞれ制御用コンピュータ４１に接続されている。各エンコーダ５１，５４において検出されたモータ５０，５３の回転角度は、制御コンピュータ４１に出力される。

制御コンピュータ４１は、各エンコーダ５１，５４において検出されたモータ５０，５３の回転角度に応じて、周知のフィードバック制御により、右側の駆動ユニット２及び左側の駆動ユニット２を相互に独立して所定の角度に制御する。また、制御コンピュータ４１は、ジャイロセンサ４２によって検出された車体１の傾斜角速度や３軸の加速度センサーによって検出されて傾斜角により、車体の傾きを検知し、左右の駆動ユニット２の角度を独立して制御することによって、搭乗者が地面に対して平行を保つように姿勢制御することも可能である。

例えば、図８に示されるように傾斜面を倒立振子型移動体１００が移動する場合について説明する。この場合には、図９に示されるように、傾斜面の下側に位置する駆動ユニット２ａは、従動輪２２側の無限軌道２３が当該傾斜面に接地し、駆動輪２１側の無限軌道２３が傾斜面から浮くように左右の駆動ユニット２の、車体１に対する回転角を異ならせて回転制御される。また、傾斜面の上側に位置する駆動ユニット２ｂは、駆動輪２１側の無限軌道２３が接地するように回転制御される。このとき、駆動ユニット２ｂは、駆動輪２１とともに従動輪２２側の無限軌道２３も接地するように回転制御されてもよい。即ち、図８に示される状態では、傾斜面の下側に位置する駆動ユニット２ａの方が、傾斜面の上側に位置する駆動ユニット２ｂよりも、下方向に従動輪２２を回転により位置させることで車体１が左右方向に地面に対して平行になるように、制御される。但し、車体１が左右方向に地面に対して完全に平行になる必要はなく、平行になるように制御されていれば、乗り心地の改善を図ることができる。

その他の実施の形態．
上述の例において、従動輪２２は、駆動アクチュエータによって回転駆動される駆動輪に置き換えることも可能である。これにより、倒立制御や走行制御を容易に行うことができる。

また、駆動輪２１と従動輪２２の間にさらに単数又は複数の従動輪若しくは駆動輪が配置されていてもよい。

通常走行時の倒立振子型移動体を示す側面図である。 悪路や雪道を走行時の倒立振子型移動体を示す側面図である。 階段昇降時の倒立振子型移動体を示す側面図である。 駆動ユニットの概略構成を示す側面図である。 本発明にかかる駆動ユニットの具体的な構成例を示す図である。 本発明にかかる駆動ユニットの具体的な構成例を示す図である。 本発明にかかる倒立振子型移動体の制御系を示すブロック図である。 本発明にかかる倒立振子型移動体が傾斜面を走行する様子を示す説明図である。 本発明にかかる倒立振子型移動体が傾斜面を走行する場合の駆動ユニットの回転制御を説明するための図である。

符号の説明

１ 車体
２ 駆動ユニット
２１ 駆動輪
２２ 従動輪
２３ 無限軌道
２４ ハウジング
２５ 駆動モータ
２６ 駆動ユニット回転用アクチュエータ
２７ 減速機
２８ 軸受部
２９ 駆動ユニット回転用アクチュエータ
３０ 減速機
１００ 倒立振子型移動体

Claims (6)

1. 左右にそれぞれ駆動ユニットを備えた倒立振子型移動体であって、
   前記駆動ユニットは、
   駆動アクチュエータによって回転される駆動輪と、
   前記駆動輪に対して離間して配置された回転輪と、
   前記駆動輪の外周面と回転輪の外周面が内周面に接し、走行時に地面と接する無限軌道と、
   当該駆動ユニットを回転制御し、前記駆動輪と、前記回転輪の接地を制御する駆動ユニット回転機構を有する倒立振子型移動体。
2. 左右の駆動ユニット回転機構は、それぞれ独立して、駆動ユニットの回転制御が可能であることを特徴とする請求項１記載の倒立振子型移動体。
3. 前記倒立振子型移動体が左右方向に傾斜した状態で走行する場合に、前記左右の駆動ユニット回転機構は、左右の駆動ユニットの回転角を異ならせて、車体が地面に対して左右方向に平行になるように駆動ユニットを回転制御することを特徴とする請求項２記載の倒立振子型移動体。
4. 車体の傾きを検出する傾き検出手段を有し、
   前記左右の駆動ユニット回転機構は、前記傾き検出手段によって検出された車体の傾きに応じて前記駆動ユニットを回転制御することを特徴とする請求項２又は３記載の倒立振子型移動体。
5. 前記回転輪は、回転自在に駆動ユニットに保持された従動輪であることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の倒立振子型移動体。
6. 前記回転輪は、駆動アクチュエータによって回転制御される駆動輪であることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の倒立振子型移動体。