JP2009101898A - 倒立車輪型移動体、及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】操作性を向上することができる倒立車両型移動体、及びその制御方法を提供する。
【解決手段】本発明の一態様にかかる倒立車輪型移動体は、右駆動輪１８、左駆動輪２０を回転駆動するモータ３４、３６と、スイングアーム１７、１９を介してマウント２６、２８に対して回動可能に支持された搭乗席７４と、搭乗席７４を駆動する搭乗席駆動モータ７０と、を備えている。制御部８０は、モータ３４、３６とともに搭乗席駆動モータ７０を駆動させる第１の制御モードと、搭乗席駆動モータ７０の駆動を停止し、モータ３４、３６を駆動させる第２の制御モードと、を切換えることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は倒立車輪型移動体、及びその制御方法に関する。

倒立二輪車両などの倒立車輪型移動体は、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。さらに、倒立状態を安定させるため、車輪上方に設けられた慣性体を駆動する構成が開示されている（特許文献１）。この倒立車輪型移動体では、走行中に、慣性体をスライド移動させている。これにより、重心位置が車軸の鉛直線上に速やかに移動するため、倒立を安定させることができる。
特開２００６−２０５８３９号公報

しかしながら、倒立車輪型移動体では、以下に示す問題点がある。倒立車輪型移動体の使用では、移動体に外力が加えられることがある。この場合、運搬のことを考えると、外力に倣って移動することが適している。一方、周囲に障害物などがあるときは、外力が与えられても、その場から移動して欲しくない。すなわち、（１）外力を利用して加速することが好ましい場合と、（２）障害物との衝突を避けるため、速やかに倒立を安定させ、その場での倒立を維持することが好ましい場合と、がある。しかしながら、従来の倒立車輪型移動体では、上記の２つの場合の制御を両立することが困難であり、状況に応じた制御をすることがないという問題点がある。

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、状況に応じた制御を可能とする倒立車輪型移動体、及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様にかかる倒立車輪型移動体は、車輪を回転可能に支持する車台と、前記車輪を回転駆動する第１の駆動部と、支持部材を介して前記車台に対して回動可能に支持された車体部と、前記車体部を駆動する第２の駆動部と、前記第１及び第２の駆動部を制御する制御部とを備える倒立車輪型移動体であって、前記制御部が、前記第１の駆動部とともに前記第２の駆動部を駆動させて、前記倒立車輪型移動体を倒立させつつ移動させる第１の制御モードと、前記第２の駆動部の駆動を停止し、前記第１の駆動部を駆動させて、前記倒立車輪型移動体を倒立させつつ移動させる第２の制御モードと、を切換え可能であることを特徴とするものである。これにより、状況に応じた制御を行うことができる。

本発明の第２の態様にかかる倒立車輪型移動体は、前記第１の制御モードと前記第２の制御モードとの切換えが、センサから出力に応じて行われることを特徴とするものである。これにより、適切に制御モードを切換えることができ、状況に応じて適切な制御を行うことができる。

本発明の第３の態様にかかる倒立車輪型移動体は、上記の倒立車輪型移動体であって、前記制御部が、前記センサからの出力に応じて、前記車体部が急激に移動しているか否かを判定し、前記車体部が急激に移動していると判定された場合に、前記第１の制御モードから前記第２の制御モードに切換えられることを特徴とするものである。これにより、適切に制御モードを切換えることができ、状況に応じて適切な制御を行うことができる。

本発明の第４の態様にかかる倒立車輪型移動体は、上記の倒立車輪型移動体であって、前記第１の制御モードと前記第２の制御モードとの切換えが、手動式スイッチによって行われることを特徴とするものである。これにより、簡便に制御モードを切換えることができ、状況に応じて適切な制御を行うことができる。

本発明の第５の態様にかかる倒立車輪型移動体の制御方法は、車輪を回転可能に支持する車台と、前記車輪を回転駆動する第１の駆動部と、支持部材を介して前記車台に対して回動可能に支持された車体部と、前記車体部を駆動する第２の駆動部と、前記第１の駆動部と前記第２の駆動部とを制御する制御部とを備える倒立車輪型移動体の制御方法であって、前記第１の駆動部とともに前記第２の駆動部を駆動させて、前記倒立車輪型移動体を倒立させつつ移動させる第１の制御モードで制御するステップと、前記第２の駆動部の駆動を停止して、前記第１の駆動部を駆動させて、前記倒立車輪型移動体を倒立させつつ移動させる第２の制御モードで制御するステップと、前記第１の制御モードと前記第２の制御モードとを切換えるステップと、を備えるものである。これにより、状況に応じた制御を行うことができる。

本発明の第６の態様にかかる倒立車輪型移動体の制御方法は、上記の制御方法であって、前記第１の制御モードと前記第２の制御モードとの切換えが、センサから出力に応じて行われることを特徴とするものである。これにより、適切に制御モードを切換えることができ、状況に応じて適切な制御を行うことができる。

本発明の第７の態様にかかる倒立車輪型移動体の制御方法は、上記の制御方法であって、前記センサからの出力に応じて、前記車体部が急激に移動しているか否かを判定し、
前記車体部が急激に移動していると判定された場合に、前記第１の制御モードから前記第２の制御モードに切換えられることを特徴とするものである。これにより、適切に制御モードを切換えることができ、状況に応じて適切な制御を行うことができる。

本発明の第８態様にかかる倒立車輪型移動体の制御方法は、上記の制御方法であって、前記第１の制御モードと前記第２の制御モードとの切換えが、手動式スイッチによって行われることを特徴とするものである。これにより、簡便に制御モードを切換えることができ、状況に応じて適切な制御を行うことができる。

本発明は、状況に応じた制御を可能とする倒立車輪型移動体、及びその制御方法を提供することを目的とする。

発明の実施の形態１．
本実施の形態にかかる移動体は倒立振子制御によって移動する倒立車輪型移動体である。移動体は、地面に接地した車輪を駆動することによって、所定の位置まで移動する。さらに、ジャイロセンサ等からの出力に応じて車輪を駆動することによって、倒立状態を維持することができる。また、移動体は、倒立状態を維持したまま、操作者が操作する操作量に応じて移動する。

図１及び図２を用いて、本実施の形態にかかる移動体１００の構成について説明する。図１は移動体１００の構成を模式的に示す側面図であり、図２は移動体１００の構成を模式的に示す正面図である。

図２に示されるように、移動体１００は、倒立車輪型の移動体（走行体）であり、右駆動輪１８と、左駆動輪２０と、右スイングアーム１７と、左スイングアーム１９と、車体１２と、を備えている。車体１２は、右駆動輪１８、及び左駆動輪２０の上方に配置された移動体１００の上体部の一部である。ここで、移動体１００の進行方向（図２の紙面と垂直方向）を前後方向とし、水平面において前後方向に垂直な方向を左右方向（横方向）とする。よって、図２は、進行方向前側から移動体１００を見た図であり、図１は、左側から移動体１００を見た図である。

走行時において、右スイングアーム１７、及び左スイングアーム１９は、車高を調整する。さらに、一方、又は両方のスイングアームを駆動して、車体１２の地面に対する左右の傾斜角度を調整する。例えば、水平な地面を走行中に、右駆動輪１８のみが段差に乗り上げたり、地面が右上がりの傾斜面に変わったりしたとする。この場合、右駆動輪１８が左駆動輪２０よりも高くなる。このため、右スイングアーム１７の関節を駆動して右駆動輪１８を車体１２の方向により近づけるようにする。これにより、右駆動輪１８が高くなった分を吸収でき、横方向（左右方向）において車体１２を水平にすることができる。

右スイングアーム１７側端側には右マウント２６が固定され、車軸３０を介して右駆動輪１８を回転可能に支持する。右駆動輪１８は、車軸３０を介して右輪駆動モータ３４の回転軸Ｃ１に固定されている。右輪駆動モータ３４は、右マウント２６内に固定され、車輪用駆動部（アクチュエータ）として機能する。

左スイングアーム１９の側端側には左マウント２８が固定され、車軸３２を介して左駆動輪２０を回転可能に支持する。左駆動輪２０は、車軸３２を介して左輪駆動モータ３６の回転軸Ｃ２に固定されている。左輪駆動モータ３６は、左マウント２８内に固定され、車輪用駆動部（アクチュエータ）として機能する。右駆動輪１８と左駆動輪２０は、地面と接地し、略同軸上で回転する一対の車輪である。右駆動輪１８と左駆動輪２０が、回転することによって、移動体１００が移動する。また、右輪駆動モータ３４、及び左輪駆動モータ３６が車輪を駆動させる駆動輪モータとなる。右マウント２６、及び左マウント２８が左右の駆動輪を回転可能に支持する車台となる。

右輪駆動モータ３４及び左輪駆動モータ３６は例えば、サーボモータである。尚、車輪用アクチュエータは、電気的なモータに限らず、空圧、油圧を使用したアクチュエータでもよい。なお、以下の説明において、右駆動輪１８と左駆動輪２０をまとめて、駆動輪と呼ぶこともある。

また、右マウント２６は、右輪エンコーダ５２を備えている。右輪エンコーダ５２は、右駆動輪１８の回転量としての回転角を検出する。左マウント２８は、左輪エンコーダ５４を備えている。左輪エンコーダ５４は、左駆動輪２０の回転量としての回転角を検出する。

右スイングアーム１７は、右上リンク２１と、右スイング軸６２と、右スイングアーム駆動モータ６０を有している。左スイングアーム１９は、左上リンク２２と、左スイング軸６６と、左スイングアーム駆動モータ６４を有している。車体１２の下部には、右上リンク２１及び左上リンク２２が固定されている。右上リンク２１には、右スイングアーム駆動モータ６０が固定され、右スイング軸６２を介して、回転軸Ｃ４回りに、右スイングアーム１７を駆動する。左スイング軸６６には、左スイングアーム駆動モータ６４が固定され、左スイング軸６６を介して、回転軸Ｃ５周りに左スイングアーム１９を駆動する。このように、右スイングアーム１７には、回転軸Ｃ４回りに回転する回転関節が設けられ、左スイングアーム１９には、回転軸Ｃ５回りに回転する回転関節が設けられている。右スイングアーム１７及び左スイングアーム１９に設けられた関節をスイングアーム関節とする。

車体１２には、搭乗席駆動モータ７０、ラックアンドピニオン７２、ジャイロセンサ４８、及び搭乗席７４が取り付けられている。また、車体１２には、対向して、右上リンク２１及び左上リンク２２が取り付けられている。

車体１２の中央近傍には、ラックアンドピニオン７２が設けられている。ラックアンドピニオンのラックは、前後方向に沿って設けられている。ラックアンドピニオン７２によって、搭乗席７４が支持されている。即ち、搭乗席７４は、ラックアンドピニオン７２を介して車体１２に取り付けられている。搭乗席７４は、搭乗者が座ることができる椅子の形状を有する。

車体１２の上部には、搭乗席駆動モータ７０が固定されている。搭乗席７４と搭乗席駆動モータ７０は、ラックアンドピニオン７２によって連結されている。搭乗席駆動モータ７０は、回転軸Ｃ３回りに回転する。これにより、ラックアンドピニオン７２のピニオンに回転力が加えられる。搭乗席駆動モータ７０の回転運動は、ラックアンドピニオン７２によって、直線運動に変換される。すなわち、搭乗席駆動モータ７０を駆動すると、車体１２に対する搭乗席７４の位置が前後にスライドする。このとき、搭乗席７４と搭乗者又は搭乗物との合成重心位置が、車体１２に対して前後に変化する。なお、車体１２に対して、搭乗席７４と搭乗者又は搭乗物との合成重心位置を変化させる手段としては、スライド機構の他に、回転軸機構、旋回機構などで実現することも可能である。また、搭乗席駆動モータ７０の動力をギアやベルトやプーリなどを介して、搭乗席７４に伝達してもよい。ここで、搭乗席駆動モータ７０によって前後に移動する構成全体を車体部７７とする。車体部７７には、搭乗席７４や操作モジュール４６等が含まれる。もちろん、車体１２を駆動するアクチュエータを備える場合は、車体部７７に車体１２も含まれる。また、搭乗席駆動モータ７０には、スライド位置を計測するためのエンコーダ（図示せず）が設けられている。

回転軸Ｃ３は回転軸Ｃ１及びＣ２と平行であり、回転軸Ｃ１及びＣ２の上方に位置する。回転軸Ｃ３と回転軸Ｃ１との間に右スイングアーム１７が設けられ、回転軸Ｃ３と回転軸Ｃ２との間に左スイングアーム１９が設けられている。右スイングアーム駆動モータ６０は、右スイングアーム１７を回転軸Ｃ４回りに回転させ、左スイングアーム駆動モータ６４は、左スイングアーム１９を回転軸Ｃ５回りに回転させる。通常の走行時には、回転軸Ｃ１〜回転軸Ｃ５は水平になっている。

さらに、移動体１００には、転倒を防止するために、２つの補助輪５１が設けられている。補助輪５１は、補助輪支持ブロック５５に対して回転可能に支持されている。そして、補助輪支持ブロック５５は車体１２に取り付けられている。ここでは、一方の補助輪５１は、駆動輪の前方側に配置され、他方の補助輪５１は駆動輪の後方側に配置されている。補助輪５１は、従動輪であり、移動体１００の移動にしたがって回転する。

通常の走行を開始するときには、スイングアーム関節を伸ばすことによって、補助輪５１を離地させる。すなわち、車体１２が上方に移動するように、スイングアーム関節を移動して、補助輪５１を上方に移動させる。停止状態では、スイングアーム関節を縮めることによって、補助輪５１を接地させる。すなわち、スイングアーム関節を屈曲させていくことで、車体１２が地面に近づき、補助輪５１が下方に移動する。このように、補助輪５１を上下に移動させることで、補助輪５１が接地した接地状態と、離地して二輪で走行する離地状態とを切換えることができる。このように、移動体１００は、立ち上がり時にスイングアームを使って、４輪の接地状態から２輪状態の離地状態へと移行していく。

一方の補助輪５１の回転軸は、回転軸Ｃ１、Ｃ２よりも前側上方にあり、他方の補助輪５１の回転軸は、回転軸Ｃ１，Ｃ２よりも後側上方にある。すなわち、補助輪５１の一方は、駆動輪の車軸よりも前方に配置され、他方は、駆動輪の車軸よりも後方に配置される。これにより、移動体１００が前後に転倒するのを防止することができる。なお、補助輪以外の転倒防止部材によって、転倒を防止してもよい。例えば、前後方向に突出したストッパなどで転倒を防止することができる。

車体１２には、バッテリーモジュール４４と、センサ５８が収納されている。センサ５８は、例えば、光学式の障害物検知センサであり、移動体１００の前方に障害物を検知すると、検知信号を出力する。また、センサ５８は、障害物センサ以外のセンサであってもよい。例えば、センサ５８として、加速度センサを用いることも可能である。もちろん、センサ５８として、２以上のセンサが用いられていてもよい。センサ５８は移動体１００の状態に応じて変化する変化量を検出する。バッテリーモジュール４４は、センサ５８、ジャイロセンサ４８、右輪駆動モータ３４、左輪駆動モータ３６、右スイングアーム駆動モータ６０、左スイングアーム駆動モータ６４、搭乗席駆動モータ７０、及び制御部８０等に対して電力を供給する。

車体１２上には、ジャイロセンサ４８が設けられている。ジャイロセンサ４８は、車体１２の傾斜角に対する角速度を検出する。ここで、車体１２の傾斜角は、移動体１００の重心位置が車軸３０、３２の鉛直上方に伸びる軸からの傾斜度合いであり、例えば移動体１００の進行方向前方に車体１２が傾斜している場合を「正」とし、移動体１００の進行方向後方に車体１２が傾斜している場合を「負」として表わす。したがって、車体１２が水平になっている状態では、傾斜角度が０°になる。そして、通常の走行時には、傾斜角度の制御目標値が０°なっている。この制御目標値に追従するように、フィードバック制御されている。また、前後方向における傾斜角度を移動体１００の姿勢の傾斜角度とする。

また、進行方向の前後方向に加えて、左右方向の傾斜角速度はロール、ピッチ、ヨーの３軸のジャイロセンサ４８を用いて測定される。このように、ジャイロセンサ４８は、車体１２の傾斜角の変化を、車体１２の傾斜角速度として測定する。もちろん、ジャイロセンサ４８は他の箇所に取り付けられていてもよい。ジャイロセンサ４８で測定された傾斜角速度は、移動体１００の姿勢の変化に応じて変化する。即ち、傾斜角速度は、車軸の位置に対する車体１２の重心位置に応じて変化する変化量である。従って、外乱などによって、姿勢の傾斜角度が急激に変化すると、傾斜角速度の値が大きくなる。

搭乗席７４の側面には、操作モジュール４６が設けられている。操作モジュール４６には、操作レバー（図示せず）及びブレーキレバー（図示せず）が設けられている。操作レバーは、搭乗者が移動体１００の走行速度や走行方向を調整するための操作部材である、搭乗者は、操作レバーの操作量を調整することによって移動体１００の移動速度を調整することができる。また、搭乗者は、操作レバーの操作方向を調整することによって移動体１００の移動方向を指定することができる。移動体１００は、操作レバーに加えられた操作に応じて、前進、停止、後退、左折、右折、左旋回、右旋回することができる。搭乗者がブレーキレバーを倒すことによって、移動体１００を制動することができる。移動体１００の進行方向は、水平面内において、車軸３０、３２と垂直な方向になる。また、操作モジュール４６には、制御モードを切換えるスイッチが設けられている。

さらに、搭乗席７４の背もたれ部分には、制御部８０が実装されている。制御部８０は、搭乗者が操作モジュール４６に対して行なった操作に追従して、右輪駆動モータ３４及び左輪駆動モータ３６を制御し、移動体１００の走行（移動）を制御する。制御部８０は、操作モジュールでの操作に応じて、右輪駆動モータ３４及び左輪駆動モータ３６を制御する。これにより、操作モジュール４６での操作に応じた加速度、速度指令値で右輪駆動モータ３４及び左輪駆動モータ３６が駆動する。

制御部８０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、通信用のインターフェースなどを有し、移動体１００の各種動作を制御する。そして、この制御部８０は、例えばＲＯＭに格納された制御プログラムに従って各種の制御を実行する。制御部８０は、操作モジュール４６での操作に応じて、所望の加速度、及び目標速度になるように、また、移動体１００が倒立を維持するように、ロバスト制御、状態フィードバック制御、ＰＩＤ制御などの周知のフィードバック制御により、右輪駆動モータ３４及び左輪駆動モータ３６を制御する。これにより、移動体１００が、操作モジュール４６での操作に応じて加減速しながら走行する。

すなわち、操作モジュール４６は、搭乗者の操作によって与えられた操作量を取得し、この操作量を操作信号として、制御部８０に出力する。そして、制御部８０は、操作信号に基づいて、移動体１００の目標加速度や、目標速度を算出し、これに追従するように、移動体１００をフィードバック制御する。これにより、移動体１００を倒立させつつ、移動させることができる。

また、制御部８０は、右輪駆動モータ３４、左輪駆動モータ３６、右スイングアーム駆動モータ６０、左スイングアーム駆動モータ６４、及び搭乗席駆動モータ７０を制御する。ここで、搭乗席駆動モータ７０が右輪駆動モータ３４及び左輪駆動モータ３６と協調して動作するよう、制御部８０が制御を行う。すなわち、倒立を安定させるように、駆動輪を回転駆動するとともに搭乗席７４をスライド移動させる。これにより、車体１２の傾斜角度が小さくなり、倒立を安定させることができる。このようにして、搭乗席駆動モータ７０が右スイングアーム駆動モータ６０、左スイングアーム駆動モータ６４、及び搭乗席駆動モータ７０と協調して動作する。

さらに、制御部８０は、第１の制御モードである停止モードと第２の制御モードである運搬モードとを切換える。停止モードでは、移動体１００がその場で停止するように、搭乗席駆動モータ７０を、左スイングアーム駆動モータ６４、及び搭乗席駆動モータ７０と協調して駆動するようにする。一方、運搬モードでは、搭乗席駆動モータ７０の駆動を停止して、右スイングアーム駆動モータ６０、左スイングアーム駆動モータ６４、及び搭乗席駆動モータ７０のみによって倒立を維持する。すなわち、運搬モードでは、搭乗席駆動モータ７０による搭乗席７４のスライド移動を禁止する。本実施の形態では、運搬モードと、その場停止モードとを操作モジュール４６に設けられている手動式スイッチによって切換える構成としてる。例えば、スイッチをＯＮすることにより、その場停止モードになり、スイッチをＯＦＦすることにより、運搬モードになる。

次に、その場停止モードと運搬モードでの移動体１００の動作の違いについて、図３を用いて説明する。移動体１００の構成を模式的に示す側面図である。図３（ａ）、及び（ｂ）には、その場停止モードでの移動体１００の動作が示され、図３（ｃ）及び（ｄ）には運搬モードでの移動体１００の動作が示されている。図３では、右側が移動体１００の進行方向の前方になっている。また、図３（ｂ）、及び図３（ｄ）では移動前後の移動体１００が示されている。

図３では、右駆動輪１８及び左駆動輪２０を駆動輪７８として示している。また、図３（ａ）及び図３（ｂ）では、車体部７７をスライド移動させる機構をスライド機構６８として示し、スイングアームに設けられた回転関節をスイングアーム関節６７として示している。したがって、搭乗席駆動モータ７０及びラックアンドピニオンなどを含むスライド機構６８を駆動することで、車体１２に対して車体部７７が前後にスライドする。さらに、車体部７７と車体１２を合わせて上体部７６としている。したがって、スイングアームによって支持されている構成全体が上体部７６となる。また、運搬モードでは、スライド機構６８を使用しないため、図３（ｃ）、及び図３（ｄ）では、これらを省略して図示している。

まず、スライド機構６８を動作させる、その場停止モードについて説明する。図３（ａ）に示すように、スイングアーム関節６７がある程度伸びており、補助輪５１が離地した離地状態となっている。そして、その場で停止している状態で、例えば、車体１２や上体部７６に外力が加わると、移動体１００の姿勢が傾く。図３（ａ）では、後方から外力が加わっているため、車体部７７が前傾する。すると、図３（ｂ）に示すように、上体部７６の姿勢が矢印の方向に変化する。駆動輪７８のモータだけでなく、搭乗席駆動モータ７０が駆動して、車体部７７が後方に移動する。これにより、上体部７６の重心位置が、速やかに車軸の鉛直線上に移動して、速やかに停止する。図３（ｂ）に示すように、移動体１００の移動量を小さくすることができる。すなわち、傾斜角度を０°に回復して安定に倒立するために必要な移動距離を小さくすることができる。

次に、搭乗席駆動モータ７０の動作を停止する、運搬モードについて、説明する。図３（ｃ）に示すように、スイングアーム関節６７がある程度伸びており、補助輪５１が離地した状態となっている。このとき、上記と同様に、移動体１００に外力が加わると、図３（ｄ）のように、移動体１００が前傾する。運搬モードでは、スライド機構６８が停止しているので、駆動輪７８の駆動のみで、倒立状態の維持が行われる。従って、その場停止モードよりも、上体部７６の重心位置が車軸の鉛直線上に移動するまで時間がかかり、移動量が大きくなる（図３（ｄ）参照）。すなわち、外力によって傾斜した姿勢が、スライド機構６８の駆動によって打ち消す方向に変化しない。このため、前傾姿勢が元の姿勢に戻るまでの時間が長くなる。駆動輪の回転角度が大きくして、傾斜角度を０°に回復する。このように、運搬モードでは、外力を利用した加速が可能になり、速やかに移動することができる。すなわち、力に倣って移動体１００が移動するため、速やかに運搬することができる。

運搬モードでは、外力を利用して加速することができるため、速やかな移動が可能になる。よって、利便性を向上することができる。一方、その場停止モードでは、スライド機構６８が駆動することによって、倒立を安定させることができる。このように、その場停止モードと運搬モードとを切換えることによって、状況に応じて、適切な制御が可能になる。また、手動式スイッチを用いることで、簡便な切換が可能になる。よって、利便性を向上することができる。

次に、上記の制御を行う制御部８０の構成について図４を用いて説明する。図４は、制御部８０を含む制御系の構成を示すブロック図である。図４に示すように、制御部８０は、スイングアーム制御部８１と、駆動輪・スライド協調制御部８２とを備えている。また、センサ類８３は、移動体１００に設けられている各種センサを示すものであり、例えば、ジャイロセンサ４８、右輪エンコーダ５２、左輪エンコーダ５４、センサ５８等を含んでいる。そして、制御部８０は、倒立制御計算を行い、制御目標値を算出する。そして、制御目標値と現在値との偏差を求める。尚、現在値は、例えば、センサ類８３からの出力に基づいて算出することができる。そして、この偏差に所定のフィードバックゲインを乗じて、フィードバック制御を行う。

また、移動体１００には、各モータを駆動制御するアンプが設けられている。ここで、右輪駆動モータ３４、左輪駆動モータ３６、右スイングアーム駆動モータ６０、左スイングアーム駆動モータ６４、搭乗席駆動モータ７０に設けられているアンプをそれぞれ、アンプ３４ａ、アンプ３６ａ、アンプ６０ａ、アンプ６４ａ、アンプ７０ａとする。各アンプは、制御部８０からの制御信号に基づいて動作する。制御部８０は、搭乗席駆動モータ７０のアンプ７０ａにスライド速度やスライド位置やスライド力に応じた制御信号を出力する。また、モータ３４、３６のアンプ３４ａ、３６ａに車輪トルクに応じた制御信号を出力する。

スイングアーム制御部８１は、右スイングアーム駆動モータ６０、及び左スイングアーム駆動モータ６４を制御する。例えば、スイングアーム制御部８１は制御信号を出力して、スイングアームが伸縮するようにスイングアーム関節６７を駆動する。これにより、補助輪５１が接地している接地状態と、離地している離地状態とを切換えることができる。また、傾斜面を走行するときは、ジャイロセンサ４８などの出力に基づいて、制御信号を出力する。これにより、傾斜面の角度が吸収され、車体１２が水平になる。スイングアーム制御部８１からの制御信号は、アンプ６０ａ、６４ａを介して、右スイングアーム駆動モータ６０、左スイングアーム駆動モータ６４に入力され、右スイングアーム駆動モータ６０、左スイングアーム駆動モータ６４が駆動する。なお、スイングアーム関節の回転角を検出するエンコーダを設けて、フィードバック制御してもよい。すなわち、スイングアーム関節６７の関節角度や関節角速度に応じてフィードバック制御することができる。

駆動輪・スライド協調制御部８２は、右輪駆動モータ３４、左輪駆動モータ３６、及び搭乗席駆動モータ７０を協調して制御する。すなわち、駆動輪・スライド協調制御部８２は、右輪駆動モータ３４、左輪駆動モータ３６、及び搭乗席駆動モータ７０に対する制御目標値を算出する。例えば、姿勢の傾斜角度、姿勢の傾斜角速度、並びに駆動輪の回転速度、及び搭乗席７４のスライド速度が制御目標値として算出される。車体１２の傾斜角速度は、ジャイロセンサ４８で測定される。そして、傾斜角速度を積分することによって、車体１２の傾斜角度が求まる。例えば、倒立走行時には、姿勢の目標傾斜角度が０°になるようにフィードバック制御する。また、その場で停止させる場合は、目標傾斜角速度が０になるようにフィードバック制御する。

また、駆動輪７８の回転速度は、右輪エンコーダ５２、及び左輪エンコーダ５４の出力によって、求めることができる。スライド機構６８のスライド速度は、搭乗席駆動モータ７０に設けられているエンコーダの出力により求めることができる。また、スライド機構６８は、搭乗席駆動モータ７０の回転トルクにより求めることができる。そして、これらの制御目標値と、現在値との偏差に適切なフィードバックゲインをかけることで、フィードバック制御が行われる。もちろん、駆動輪・スライド協調制御部８２による、右輪駆動モータ３４、左輪駆動モータ３６、及び搭乗席駆動モータ７０の協調制御は、上記の制御に限られるものではない。

次に本実施の形態にかかる移動体１００の制御方法について、図５を用いて説明する。図５は、本実施の制御方法を示すフローチャートである。まず、倒立制御計算を行う（ステップＳ１０１）。ここでは、駆動輪とスライドを協調させて動作させるための計算を行う。これにより、駆動輪のモータ、及び搭乗席駆動モータ７０等を駆動するための制御目標値が算出される。制御目標値としては、姿勢の傾斜角度及び傾斜角速度、並びに駆動の回転速度、スライド速度の４つが算出される。そして、これらの制御目標値と、現在値との偏差に適切なフィードバックゲインをかけることで、フィードバック制御が行われる。

次にスイッチ判定を行い（ステップＳ１０２）、スイッチがＯＮかＯＦＦかを判定する（ステップＳ１０３）。スイッチがＯＮの場合、スライド機構６８を使用して、駆動輪７８、及びスライドを駆動する（ステップＳ１０４）。すなわち、その場停止モードとなり、モータ３４、３６だけでなく、搭乗席駆動モータ７０を駆動して、協調制御を行う。これにより、スライド機構６８が重心位置を前後に移動させるため、倒立が速やかに安定する。そして、ステップＳ１０１で算出した制御目標値に追従するように、制御される。一方、スイッチがＯＮでない場合、駆動輪のみを駆動する（ステップＳ１０５）。すなわち、運搬モードとなり、搭乗席駆動モータ７０を駆動させず、駆動輪モータのみを駆動させて、倒立を維持する。ここでは、ステップＳ１０１で算出した制御目標値に追従するように、制御されるが、スライド機構６８は動作しない。目標位置に収束したか否かを判定する（ステップＳ１０６）。例えば、スイングアーム関節６７が目標角度になり、移動体１００が操作モジュール４６からの入力に応じた目標位置や目標速度になったか否かを判定する。目的位置に収束した場合は、制御を停止し、収束していない場合は、上記の処理を繰り返す。

ステップＳ１０５の運搬モードでは、スライド機構６８を駆動せずに、駆動輪７８のみを駆動している。外力を利用した加速することができるため、速やかな移動が可能になる。よって、利便性を向上することができる。一方、ステップＳ１０４のその場停止モードでは、駆動輪７８だけでなくスライド機構６８を駆動することによって、倒立を安定させることができる。このように、その場停止モードと運搬モードとを切換えることによって、状況に応じて、適切な制御が可能になる。例えば、周辺に障害物が多い状況では、その場停止モードとし、周辺に障害物が少なく速やかに運搬したい状況では、運搬モードとする。また、手動式スイッチを用いることで、適切で簡便な切換が可能になる。よって、利便性を向上することができる。

発明の実施の形態２．
本実施の形態にかかる移動体１００では、センサからの出力に応じて、その場停止モードと運搬モードとの切換えが行われる。なお、移動体１００の全体構成については実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

本実施の形態では、ジャイロセンサ４８で測定された傾斜角速度に基づいて、制御モードを切換えている。具体的には、傾斜角速度がしきい値を越えた場合、その場停止モードとなる。大きな外力が与えられ、傾斜角速度が大きくなった場合は、搭乗席駆動モータ７０が駆動する。よって、安定した倒立状態に速やかに移行することができる。一方、傾斜角速度がしきい値を越えなかった場合、運搬モードになる。小さな外力が与えられ、傾斜角速度がしきい値を越えなかった場合は、搭乗席駆動モータ７０が駆動しない。よって、速やかに加速することができる。

次に、本実施の形態にかかる移動体１００の制御について、図６〜図８を用いて説明する。図６は、本実施の形態にかかる制御方法を示すフローチャートである。なお、図６の点線で囲まれたステップＳ２０２，及びＳ２０３以外は、実施の形態１での制御と同様である。図７及び図８は、時間と傾斜角速度の関係を示すグラフである。図７、及び図８では、横軸が時間を示し、縦軸が傾斜角速度を示している。図７は、その場停止モードのグラフであり、図８は、運搬モードのグラフである。なお、実施の形態１と同様の内容については、適宜説明を省略する。

まず、実施の形態１と同様に、倒立制御計算を行う（ステップＳ２０１）。これにより、制御目標値が算出される。次に、スライド使用判定を行い（ステップＳ２０２）、測定した傾斜角速度がしきい値を越えたか否かを判定する（ステップＳ２０３）。ここでは、図７及び図８の点線で示されるしきい値を傾斜角速度が越えているかが判定される。

図７に示すように、傾斜角速度がしきい値を越えている場合は、スライド機構６８を使用して、駆動輪７８、及びスライドを駆動する（ステップＳ２０４）。すなわち、その場停止モードとなり、モータ３４．３６だけでなく、搭乗席駆動モータ７０を駆動して、協調制御を行う。これにより、傾斜角度が減少していく。一方、図８に示すように、傾斜角速度がしきい値を越えていない場合は、駆動輪のみを駆動する（ステップＳ２０５）。すなわち、運搬モードとなり、搭乗席駆動モータ７０を駆動させず、モータ３４、３６のみを駆動させて、倒立を維持する。そして、目標位置に収束したか否かを判定する（ステップＳ２０６）。目的位置に収束した場合は、制御を終了し、収束していない場合は、上記の処理を繰り返す。したがって、その場停止モードの後に、傾斜角速度がしきい値を越えなくなったら、運搬モードに移行して、駆動輪７８のみを駆動する。

運搬モードでは、外力を利用して加速することができるため、速やかな移動が可能になる。よって、利便性を向上することができる。一方、停止モードでは、スライド機構が駆動することによって、倒立を安定させることができる。このように、その場停止モードと運搬モードとを切換えることによって、状況に応じて、適切な制御が可能になる。また、傾斜角速度に応じて切換えを行うことで、適切な切換が可能になる。外力が大きい場合には、速やかに倒立を安定させることができ、外力が小さい場合には、速やかに加速することができる。よって、適切な制御が可能となり、利便性を向上することができる。

なお、上記の説明では、制御モードの切換をジャイロセンサ４８からの出力に応じて、行ったが、ジャイロセンサ４８以外のセンサからのセンサ出力に応じて切換を行ってもよい。この場合、センサ類８３からの出力に応じて、搭乗席７４が急激に移動するか否かを判定する。急激に移動すると判定された場合は、その場停止モードとして、速やかに倒立を安定させる。一方、急激に移動していないと判定された場合は、運搬モードとして、速やかに加速する。

例えば、センサ５８に含まれている加速度センサで加速度を測定して、その加速度に応じて制御モードを切換えることが可能である。この場合、加速度がしきい値を越えた場合、その場停止モードに切換え、加速度がしきい値を越えない場合、運搬モードに切換える。さらには、加速度計を３軸加速度計として、地面と垂直方向の加速度や地面と平行方向の加速度に基づいて、制御モードを切換えてもよい。もちろん、複数のセンサからの出力に基づいて、制御モードを切換えることも可能である。例えば、１つのセンサからのセンサ出力がしきい値を越えたら、制御モードを切換えるようにすることが可能である。

このように、制御部８０は、加速度や傾斜角速度をしきい値と比較して、搭乗席７４が急激に移動しているか否かを判定する。加速度や傾斜角速度がしきい値を越えると、制御部８０は、急激に移動していると判定する。急激に移動している場合は、倒立が不安定になるおそれがあるため、その場停止モードで制御して、速やかに倒立を安定させる。これにより、転倒を防ぐことができる。一方、急激に移動していないと判定した場合、倒立状態を安定させやすい。すなわち、駆動輪７８の駆動のみでも安定させることができるため、運搬モードで運搬可能であると判断する。そして、スライド機構６８を停止して、速やかに加速させる。このように制御することで、適切な制御モードの切換が可能となる。このように、制御モードを切換えるために用いるセンサは、移動体１００が急激に移動したか否かを判別することできるセンサであることが好ましい。さらには、移動体１００に加えられた外力の大きさによって、制御モードを切換えてもよい。

本実施の形態では、２輪型の移動体１００について説明したが、駆動輪の数は、これに限られるものではない。１輪型の移動体でもよく、３以上の駆動輪を有する移動体であってもよい。もちろん、スイングアームを構成するアームの本数は、２本でも、３本以上でもよい。搭乗席７４を駆動する関節は、直動関節に限られるものではなく、例えば、回動関節であってもよい。この場合、回動関節は、搭乗席７４を前後方向に回動させて、搭乗席７４及び搭乗者の重心位置を変化させる。また、前方への移動に限らず、後方への移動も同様に制御することができる。

上記の例では、操作者が移動体１００に搭乗しているものとして説明したが、これに限るものではない。例えば、遠隔で操縦を行なう移動体に対しても適用することができる。さらに、上記の説明では、搭乗席７４を有する移動体１００について説明したが、物体運搬用の移動台車であってもよい。もちろん、移動ロボットなどのその他の移動体であってもよい。

本発明の実施の形態１にかかる移動体の構成を示す側面図である。 本発明の実施の形態１にかかる移動体の構成を示す正面図である。 本発明の実施の形態１にかかる移動体の姿勢を説明するための側面図である。 本発明の実施の形態１にかかる移動体の制御系の構成を示すブロック図である 本発明の実施の形態１にかかる移動体の制御方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２にかかる移動体の制御方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２において、その場停止モードにおける時間と傾斜角速度の関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態２において、運搬モードにおける時間と傾斜角速度の関係を示すグラフである。

符号の説明

１２ 車体、１７ 右スイングアーム、１９ 左スイングアーム、
１８ 右駆動輪、２０ 左駆動輪、２１ 右上リンク、２２ 左上リンク、
２６ 右マウント、２８ 左マウント、
３０ 車軸、３２ 車軸、３４ 右輪駆動モータ、３６ 左輪駆動モータ、
４１ 本体部、４２ 操作レバー、４３ 操作角センサ、４４ バッテリモジュール、
４６ 操作モジュール、４８ ジャイロセンサ、５１ 補助輪、
５２ 右輪エンコーダ、５４ 左輪エンコーダ、５５ 補助輪支持ブロック、
５８ センサ、６０ 右スイングアーム駆動モータ、６２ 右スイング軸
６４ 左スイングアーム駆動モータ、６６ 左スイング軸
６７ スイングアーム関節、６８ スライド機構、
７０ 搭乗席駆動モータ、７２ ラックアンドピニオン、７４ 搭乗席、
７６ 上体部、７７ 車体部、７８ 駆動輪、
８０ 制御部、８１ スイングアーム制御部、８２ 駆動輪・スライド協調制御部、
８３ センサ類、１００ 移動体、

Claims (8)

1. 車輪を回転可能に支持する車台と、
   前記車輪を回転駆動する第１の駆動部と、
   支持部材を介して前記車台に対して回動可能に支持された車体部と、
   前記車体部を駆動する第２の駆動部と、
   前記第１及び第２の駆動部を制御する制御部と、を備える倒立車輪型移動体であって、
   前記制御部が、
   前記第１の駆動部とともに前記第２の駆動部を駆動させて、前記倒立車輪型移動体を倒立させつつ移動させる第１の制御モードと、
   前記第２の駆動部の駆動を停止し、前記第１の駆動部を駆動させて、前記倒立車輪型移動体を倒立させつつ移動させる第２の制御モードと、
   を切換え可能であることを特徴とする倒立車輪型移動体。
2. 前記第１の制御モードと前記第２の制御モードとの切換えが、センサから出力に応じて行われることを特徴とする請求項１に記載の倒立車輪型移動体。
3. 前記制御部が、前記センサからの出力に応じて、前記車体部が急激に移動しているか否かを判定し、
   前記車体部が急激に移動していると判定された場合に、前記第１の制御モードから前記第２の制御モードに切換えられることを特徴とする請求項１、又は２に記載の倒立車輪型移動体。
4. 前記第１の制御モードと前記第２の制御モードとの切換えが、手動式スイッチによって行われることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の倒立車輪型移動体。
5. 車輪を回転可能に支持する車台と、
   前記車輪を回転駆動する第１の駆動部と、
   支持部材を介して前記車台に対して回動可能に支持された車体部と、
   前記車体部を駆動する第２の駆動部と、
   前記第１の駆動部と前記第２の駆動部とを制御する制御部とを備える倒立車輪型移動体の制御方法であって、
   前記第１の駆動部とともに前記第２の駆動部を駆動させて、前記倒立車輪型移動体を倒立させつつ移動させる第１の制御モードで制御するステップと、
   前記第２の駆動部の駆動を停止して、前記第１の駆動部を駆動させて、前記倒立車輪型移動体を倒立させつつ移動させる第２の制御モードで制御するステップと、
   前記第１の制御モードと前記第２の制御モードとを切換えるステップと、を備える倒立車輪型移動体の制御方法。
6. 前記第１の制御モードと前記第２の制御モードとの切換えが、センサから出力に応じて行われることを特徴とする請求項５に記載の倒立車輪型移動体。
7. 前記センサからの出力に応じて、前記車体部が急激に移動しているか否かを判定し、
   前記車体部が急激に移動していると判定された場合に、前記第１の制御モードから前記第２の制御モードに切換えられることを特徴とする請求項５、又は６に記載の倒立車輪型移動体。
8. 前記第１の制御モードと前記第２の制御モードとの切換えが、手動式スイッチによって行われることを特徴とする請求項１に記載の倒立車輪型移動体。

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