JP2011063207A - 倒立振子型移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】フットプリントが小さくコンパクトな倒立振子型移動体を提供する。
【解決手段】下部フレーム２２と、この下部フレームの上側に分離可能に接続された上部フレーム２１とからなる外殻構造を有する倒立振子型移動体１において、下部フレームに保持された移動用の走行ユニット３と、上部フレームに保持され、走行ユニットに電力を供給するバッテリユニット１０とを備えた構成とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、車輪等によって移動する倒立振子型の移動体に関する。

従来、傾斜センサ（ジャイロセンサ等）の検出結果に基づく倒立振子制御によって倒立姿勢を維持しながら移動する倒立振子型移動体が知られている。この種の倒立振子型移動体では、その移動性（小回りが利く等）を向上させるためにフットプリント（すなわち、移動する路面上で倒立振子型移動体が占める面積）を小さくする等コンパクトな装置が指向されている。

例えば、球状走行体と、その球状走行体を任意の方向に転動させる全方向移動駆動手段を備えたロボット本体と、そのロボット本体を倒立振子型モデルで制御する制御手段とを備えた倒立振子型移動体が存在する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−２８２１６０号公報

ところで、上記従来の倒立振子型移動体では、ロボット本体は、バッテリ、制御コンピュータ、モータドライバおよびジャイロセンサ等からなる制御手段が収容されたケーシングと、当該ケーシングの下側に装着され、全方向移動駆動手段を囲繞する保護カバーとを有する。しかしながら、そのような構成を球状走行体ではなく比較的狭幅の車輪等を備えた倒立振子型移動体に適用する場合には、保護カバーよりもケーシングの水平方向のサイズが大きくなり、コンパクト化が難しいという課題があった。

本発明は、このような従来技術の課題を鑑みて案出されたものであり、フットプリントが小さくコンパクトな倒立振子型移動体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、下部フレームと、当該下部フレームの上側に分離可能に接続された上部フレームとからなる外殻構造を有する倒立振子型移動体であって、前記下部フレームに保持された移動用の走行ユニットと、前記上部フレームに保持され、前記走行ユニットに電力を供給するバッテリユニットとを備えた構成とする。

また、第２の発明として、前記下部フレームと前記上部フレームとのいずれかに保持されると共に、鉛直方向における前記走行ユニットと前記バッテリユニットとの間に配置された倒立振子制御用の電装ユニットを更に備えた構成とすることができる。

また、第３の発明として、前記走行ユニットは、環状の主輪と、当該主輪を回転駆動する電動モータと、当該電動モータの動力を前記主輪に伝達する駆動体とを有する構成とすることができる。

また、第４の発明として、前記上部フレームに保持され、操作者の臀部を支持する着座部を更に備え、前記上部フレームが、前記バッテリユニットを収容する環状のバッテリ収容部を有し、前記着座部は、当該バッテリ収容部の中央の開口部に収容可能である構成とすることができる。

上記第１の発明によれば、走行ユニットとバッテリユニットとを下部フレームと上部フレームとにそれぞれ配置する構成としたため、フットプリントが小さくコンパクトな倒立振子型移動体を実現することができるという優れた効果を奏する。
また、上記第２の発明によれば、電装ユニットを走行ユニットとバッテリユニットとの間に配置する構成としたため、よりコンパクトな倒立振子型移動体を実現することができる。
また、上記第３の発明によれば、下部フレームにおいて、倒立振子移動体の移動に供される走行ユニットをコンパクトに収容することが可能となる。
また、上記第４の発明によれば、上部フレームにおいて、着座部とバッテリとをコンパクトに収容することが可能となる。

倒立振子型移動体の搭乗可能状態（サドルおよびステップを展開した状態）を示す斜視図である。 倒立振子型移動体の収納状態（サドルおよびステップを格納した状態）を示す斜視図である。 倒立振子型移動体の分解斜視図である。 図１のIV−IV断面図である。 図１のV−V断面図 倒立振子型移動体の上部構造を示す斜視図である。 図１のVII−VII断面図である。 倒立振子型移動体のくびれ部を一部破断して示す斜視図である。 電装ユニットを示す斜視図である。 倒立振子型移動体の制御系の要部を示すブロック図である。 倒立振子型移動体における搭乗者の乗車の態様（（ａ）着座搭乗姿勢、（ｂ）起立搭乗姿勢）を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る倒立振子型移動体の詳細について説明する。説明にあたり、倒立振子型移動体およびその構成要素の方向は、鉛直方向を上下方向とし、鉛直方向に直交する水平面において互いに直交する前後方向および左右方向を図示のように定める。

＜倒立振子型移動体の全体構成＞
図１および図３〜図５に示されているように、倒立振子型移動体（以下、単に移動体と略称する。）１は、概ね上下方向に延在する骨格構造としてのフレーム２と、フレーム２の下部に設けられた走行ユニット３と、フレーム２の上部に設けられた着座ユニット４と、フレーム２の内部に設けられた電装ユニット１１と、各ユニットおよびセンサに電力を供給するバッテリユニット１０とを主要構造として有している。電装ユニット１１は、倒立振子制御ユニット（以下、単に制御ユニットと略称する）５と、荷重センサ６と、傾斜センサ７とを備えている。制御ユニット５は、倒立振子制御に基づいて各種センサからの入力信号に応じて走行ユニット３を駆動制御し、移動体１を倒立姿勢に維持する。また、移動体１は、電装ユニット１１とは別体に、ひずみセンサ８Ｌ，８Ｒやロータリエンコーダ９Ｌ，９Ｒを適所に備えている。

＜フレームの構成＞
図１に示されているように、フレーム２は、中空の外殻構造をなし、前後方向の幅が左右方向の幅に比べて大きい扁平形状を呈している。また、フレーム２は、上下方向における中央にくびれ部２Ａを有し、くびれ部２Ａは前後方向における幅が左右方向よりも大きく凹んでいる。このくびれ部２Ａには、電装ユニット１１が収容されている。これにより、フレーム２は、左右方向から見て外縁が略８の字状を呈する。図３に示されているように、フレーム２は、そのくびれ部２Ａにおいて上下に分割可能であり、互いに別体の上部フレーム２１と下部フレーム２２とから構成されている。上部フレーム２１および下部フレーム２２は、それぞれカーボンプリプレグシートを熱硬化させることによって形成されたドライカーボン（炭素繊維強化プラスチック：ＣＦＲＰ）である。後述するように、上部フレーム２１と下部フレーム２２とは、荷重センサ６を介して連結されている。

図４に示されているように、上部フレーム２１には、その中央部に左右方向に貫通するサドル格納部２４を形成するように環状部分が形成されている。この環状部分は、中空であり、バッテリユニット１０等が収容される内部空間２６を有している。上部フレーム２１の下端部には、下方に向けて開口する下部開口部２５（図３参照）が形成されており、また、上部フレーム２１の上端部には、上方に向けて開口する上部開口部２７が形成されている。サドル格納部２４の上壁部分には、内部空間２６とサドル格納部２４とを連通するサドル取付孔２８が形成されている。下部開口部２５の上方に位置するサドル格納部２４の下壁部分には、サドル格納部２４から下方に向けて凹設された接続凹部２９が形成されている。この接続凹部２９の底部の中央部には、貫通孔である連結孔３０が形成されている。

移動体１では、上部フレーム２１の内部空間２６における前部内部空間２６Ａおよび後部内部空間２６Ｂが、バッテリユニット１０を収容する環状のバッテリ収容部を形成する。しかも、上部フレーム２１を貫通するサドル格納部２４には着座ユニット４が収容されるため、上部フレーム２１に着座ユニット４とバッテリユニット１０とをコンパクトに収容することが可能となる。

図６に示されているように、上部フレーム２１の下部内部空間２６Ｄの内壁には、接続凹部２９を挟んで左右方向に位置するように、一対の金属製の支持ベース５１Ｌ，５１Ｒが接着されている。各支持ベース５１Ｌ，５１Ｒは、下向きの水平面を有して前後方向に延在し、その水平面に開口する雌ねじ孔を有している。

図３に示されているように、下部フレーム２２は、上部開口部３１および下部開口部３２を有して筒状に形成されている。下部フレーム２２の左右側壁３３は概ね上下方向に延在し、かつ互いに平行となっている。下部フレーム２２の前後側壁３４は、上側から下側に進むにつれて前後方向に膨出し、左右方向から見て下部フレーム２２の下部は半円状となっている。この下部フレーム２２の半円状をなす下部は、走行ユニット３の上半部を収容する収容空間３５を画成している。

左右側壁３３のそれぞれには、下部開口部３２に連続する半円状の切欠部３６が形成されている。左右の切欠部３６は、左右方向に平行な軸線をもって、互いに同軸に配置されている。切欠部３６と下部開口部３２の境界部分には、切欠部３６の周縁を延長するように下方へと延出する突片３７が形成されている。前後側壁３４のそれぞれの上部であってくびれ部２Ａを形成する部分には、通気孔３９がそれぞれ形成されている。通気孔３９は、左右方向に延在する長孔状の貫通孔であって、上下方向に複数個が平行に列設されている。なお、くびれ部２Ａの構成によっては、通気孔３９を上部フレーム２１側に設けてもよい。

図８に示されているように、下部フレーム２２の左右側壁３３における上部開口部３１付近の内壁には、一対の金属製の支持ベース５３Ｌ，５３Ｒがそれぞれ接着されている。各支持ベース５３Ｌ，５３Ｒは前後方向に延在し、その上面は水平面となっている。各支持ベース５３の前後端には、上下方向に貫通する雌ねじ孔５４ａが設けられた連結部５４が形成されている。

このように、移動体１では、走行ユニット３とバッテリユニット１０とを下部フレーム２２と上部フレーム２１とにそれぞれ配置する構成としたため、フットプリントが小さくコンパクトな装置を実現することができる。加えて、電装ユニット１１を走行ユニット３とバッテリユニット１０との間（すなわち、くびれ部２Ａ）に配置する構成としたため、よりコンパクトな移動体１を実現することができる。

＜着座ユニットの構成＞
図７に示されているように、着座ユニット４は、ベース本体６１と、左右一対のサドルアーム６２Ｌ，６２Ｒと、左右一対のサドル６３Ｌ，６３Ｒとを備えている。ベース本体６１は、上部フレーム２１の上部開口部２７を通して上部内部空間２６Ｃに配置され、その上部に接続された上壁により上部開口部２７を閉塞している。また、ベース本体６１は、その下部に前後方向に延設された支持軸６５を備えている。

支持軸６５には、左右一対のサドルアーム６２Ｌ，６２Ｒの基端部６６Ｌ，６６Ｒが枢支されている。各サドルアーム６２Ｌ，６２Ｒは、基端部６６Ｌ，６６Ｒから上部フレーム２１のサドル取付孔２８を通過して、上部フレーム２１の外部に位置する先端部６７Ｌ，６７Ｒへと延出している。右サドルアーム６２Ｒは、その先端部６７Ｒが基端部６６Ｒの下方のサドル格納部２４内に位置する格納位置と、先端部６７Ｒが基端部６６Ｒに対して概ね右方に位置する使用位置（展開位置）との間で回動可能になっている。右サドルアーム６２Ｒは、使用位置において、下に凸となるように湾曲した形状に形成されている。同様に、右サドルアーム６２Ｒと略左右対称の構成を有する左サドルアーム６２Ｌは、格納位置とら使用位置との間で回動可能になっており、使用位置において下に凸となるように湾曲した形状に形成されている。

両サドルアーム６２Ｌ，６２Ｒは、図示しないリンク機構を介して互いに連結されており、一方が格納位置にある場合には他方も格納位置に位置し、一方が使用位置にある場合には他方も格納位置に位置するように連動して変位するようになっている。また、ベース本体は図示しないロック機構を備えている。ロック機構は、各サドルアーム６２Ｌ，６２Ｒが格納位置または使用位置に位置する場合に、各サドルアーム６２Ｌ，６２Ｒに係合して各サドルアーム６２Ｌ，６２Ｒを格納位置または使用位置に保持する。

各サドル６３Ｌ，６３Ｒは、サドルアーム６２Ｌ，６２Ｒの先端部６７Ｌ，６７Ｒに連結された支持部６９Ｌ，６９Ｒと、支持部６９Ｌ，６９Ｒに取り付けられた円盤状のクッション部７０Ｌ，７０Ｒとを備えている。クッション部７０Ｌ，７０Ｒは、搭乗者（すなわち、移動体１に搭乗した操作者）の左右の臀部や大腿部が載せられる着座面を有する。サドルアーム６２Ｌ，６２Ｒが使用位置（図７中の２点鎖線参照）に位置する場合において、クッション部７０Ｌ，７０Ｒは、支持部６９Ｌ，６９Ｒの上方に配置され、着座面が上方を向く。着座した搭乗者Ｄ（図１１（ａ）参照）の荷重は、サドル６３Ｌ，６３Ｒ、サドルアーム６２Ｌ，６２Ｒ、ベース本体６１を介して上部フレーム２１に加わる。

サドルアーム６２Ｌ，６２Ｒが格納位置（図２参照）に位置する場合には、サドル６３Ｌ，６３Ｒの支持部６９Ｌ，６９Ｒはサドル格納部２４内に位置し、クッション部７０Ｌ，７０Ｒはその着座面が左方外方または右方外方を向き、サドル格納部２４を閉塞する。

なお、移動体１における着座ユニット４は、本実施形態のように搭乗者が搭乗するために使用するものに限定されず、任意の積載物（例えば、操作者が運ぶ荷物等）を支持可能とした構成も可能である。その場合、サドル６３Ｌ，６３Ｒの形状も支持対象に応じて種々の変更が可能である。

＜ハンドルの構成＞
ベース本体６１の上部に接続された上壁には、操作者による移動体の支持に供される格納式のハンドル７１が設けられている。ハンドル７１は、不使用時は、図２中の実線で示すように、ベース本体６１の上壁に凹設されたハンドル格納部７２に格納される。一方、ハンドル７１は、使用時には、図２中の２点鎖線で示すように、前後の脚部７１Ａ，７１Ａが上方にスライドすることによりベース本体６１の上方に突出する。操作者は、ハンドル７１を把持して、移動体１を持ち上げて運んだり、運転停止中の移動体１を支えてその傾倒を防止したりすることができる。

＜走行ユニットの構成＞
図３〜図５に示されているように、走行ユニット３は、支持部材としての左右一対のマウント部材８１Ｌ，８１Ｒと、これらマウント部材８１Ｌ，８１Ｒにそれぞれ取り付けられた左右一対の電動モータ８２Ｌ，８２Ｒと、波動歯車装置８３Ｌ，８３Ｒを介して電動モータ８２Ｌ，８２Ｒにそれぞれ回転させられる駆動体８４Ｌ，８４Ｒと、左右の駆動体８４Ｌ，８４Ｒによって回転させられる主輪８５とを備えている。ＤＣモータからなる電動モータ８２Ｌ，８２Ｒおよび波動歯車装置８３Ｌ，８３Ｒは周知の構成を有する。電動モータ８２Ｌ，８２Ｒの出力は、それぞれ波動歯車装置８３Ｌ，８３Ｒを介して減速された後、駆動体８４Ｌ，８４Ｒ（ドライブディスク１２１Ｌ，１２１Ｒ）に伝達されるようになっている。

駆動体８４Ｌ，８４Ｒは、ドライブディスク１２１Ｒと、ドライブディスク１２１Ｌに回転可能に支持された複数のドライブローラ１２２Ｌ，１２２Ｒとを備えている。左右ドライブローラ１２２Ｌ，１２２Ｒは、左右ドライブディスク１２１Ｌ、１２１Ｒが連結された状態（すなわち、左右の駆動体８４Ｌ，８４Ｒが組みつけられた状態）において、所定の距離だけ離間した位置に配置される。左右ドライブローラ１２２Ｌ，１２２Ｒの間には主輪８５が配置される。

主輪８５は、角柱体により構成された無端円環状の環状体１６１と、環状体１６１の外周部に嵌着された複数個のインナスリーブ１６２と、各インナスリーブ１６２の外周部にボール軸受１６３を介して回転可能に支持された複数の筒状のドリブンローラ１６４とにより構成されている。ドリブンローラ１６４は、ボール軸受１６３の外周部に嵌着される金属製円筒部１６４Ａと、金属製円筒部１６４Ａの外周面に加硫接着されたゴム製円筒部１６４Ｂとにより構成されている。ゴム製円筒部１６４Ｂの材質は、ゴムに限られず、可撓性を有する他の樹脂材料等であってもよい。ドリブンローラ１６４のゴム製円筒部１６４Ｂは、移動体１の使用状態（走行状態）において、路面に接地する。

ドリブンローラ１６４は、インナスリーブ１６２と共に環状体１６１の環方向（周方向）に複数個設けられ、主輪８５の実質的な外周面をなす。また、各ドリブンローラ１６４は、自身の配置位置における環状体１６１の接線周りに回転（自転）可能になっている。

主輪８５は、左右の駆動体８４Ｌ，８４Ｒの間に介装されることによって、駆動体８４Ｌ，８４Ｒと共に組み付けられる。また、電動モータ８２Ｌ，８２Ｒは、マウント部材８１Ｌ，８１Ｒの円筒部の内部に配置されている。このような構成により、下部フレーム２２において、移動体１の移動に供される走行ユニット３をコンパクトに収容することが可能となる。

主輪８５が左右の駆動体８４Ｌ，８４Ｒに組みつけられた状態において、ドリブンローラ１６４のゴム製円筒部１６４Ｂの外周面と、左右のドライブローラ１２２Ｌ，１２２Ｒの外周面とが接触し、摩擦によってドライブディスク１２１Ｌ，１２１Ｒの回転力（推進力）がドライブローラ１２２Ｌ，１２２Ｒを介してドリブンローラ１６４に伝達される。なお、ドライブローラ１２２Ｌ，１２２Ｒと主輪８５との配置関係や主輪８５の駆動の態様について、より詳細な説明が必要ならば、国際公開２００８／１３９７４０号を参照されたい。

＜ステップの構成＞
図３に示されているように、下部フレーム２２の左右側壁３３の外側には、左右ステップベース１８０Ｌ、１８０Ｒが設けられる。各ステップベース１８０Ｌ，１８０Ｒは、金属材料から形成されて環形状をなし、切欠部３６の周縁部および２つの突片３７に沿う形状に形成されている。各ステップベース１８０Ｌ，１８０Ｒには、それぞれステップ１８３Ｌ，１８３Ｒが回動可能に支持されている。各ステップ１８３Ｌ，１８３Ｒは、基端部において概ね前後方向に延在する回動軸をもって各突出部１８１Ｌ，１８１Ｒ付近に支持されており、その先端部が基端部の概ね上方に位置し、下部フレーム２２に概ね沿った状態となる格納位置（図２参照）と、その先端部が基端部の概ね左右方向に位置し、下部フレーム２２から突出した状態となる使用位置（図１参照）との間で回動可能となっている。

ステップベース１８０Ｌ，１８０Ｒと走行ユニット３の左右マウント部材８１Ｌ，８１Ｒとは、切欠部３６の周縁部および２つの突片３７を介装した状態でボルト締結される。これにより、ステップベース１８０Ｌ，１８０Ｒおよび走行ユニット３が下部フレーム２２に固定される。

各ステップベース１８０Ｌ，１８０Ｒの内表面には、ひずみセンサ８Ｌ，８Ｒが貼付されている。ひずみセンサ８Ｌ，８Ｒは、公知のひずみゲージであって、ステップ１８３Ｌ，１８３Ｒに荷重が加わった際のステップベース１８０Ｌ，１８０Ｒのひずみを検出する。

下部フレーム２２の下端部には、走行ユニット３の下半部を路面との接地部位を除いて隠蔽するための下部カバー１８５が取り付けられる。また、下部フレーム２２の左右側壁３３の外側面には、各突出部１８１Ｌ，１８１Ｒおよび各ステップ１８３Ｌ，１８３Ｒを除いて各ステップベース１８０Ｌ，１８０Ｒを隠蔽するためのサイドカバー１８６Ｌ，１８６Ｒが取り付けられている。

＜電装ユニットの構成＞
図８および図９に示されているように、電装ユニット１１を構成する制御ユニット５と、荷重センサ６と、傾斜センサ７とのそれぞれは、骨格となる電装マウントフレーム２０２に取り付けられて一体となっている。以下の電装ユニット１１の説明では、電装ユニット１１が下部フレーム２２に取り付けられた状態を基準にして、前後、左右、上下の方向を設定する。

電装マウントフレーム２０２は、中央部に空間を備えた略矩形状のフレーム部材であり、その周縁部が左右の支持ベース５３Ｌ，５３Ｒ上に載置可能なように大きさが設定されている。また、電装マウントフレーム２０２は、下部フレーム２２の左右の支持ベース５３Ｌ，５３Ｒ上に載置された状態において、左右の支持ベース５３Ｌ、５３Ｒの雌ねじ孔５４ａが設けられた連結部５４に対応する位置に上下方向に貫通する貫通孔２０３ａが設けられた連結部２０３を備えている。

荷重センサ６は、ｚ軸方向（鉛直方向）の力およびｘ軸，ｙ軸回りのモーメントを検出可能な３軸力センサから構成されている。荷重センサ６は、センサ基盤を内蔵するボディ部２０５と、このボディ部２０５から上方に突出する入力軸２０６とを有している。入力軸２０６は、円柱状に形成され、検出する外力が入力される。入力軸２０６の外周には基端から先端にわたって雄ねじ溝が形成されている。ボディ部２０５は、電装マウントフレーム２０２上に載置され、ねじ締結されている。

入力軸２０６の基端部の外周部には、板状の連結部材ベース２１０が取り付けられている。連結部材ベース２１０は、中央に雌ねじ孔を有し、この雌ねじ孔が入力軸２０６の基端部２０６Ｂ（図４参照）の雄ねじ溝と螺合することによって入力軸２０６に固定されている。なお、入力軸２０６の先端は、連結部材ベース２１０の上方に突出している。

連結部材ベース２１０が入力軸２０６に取り付けられた状態で、連結部材ベース２１０の前部には、前方側に延出する第１コネクタベース２１１がねじ締結されている。連結部材ベース２１０の後部には第２コネクタベース２１２がねじ締結されている。

傾斜センサ７は、公知のジャイロスコープである。傾斜センサ７は、そのハウジングとして機能する電装マウントフレーム２０２の内部に配置され、電装マウントフレーム２０２にねじ締結されている。傾斜センサ７は、鉛直方向（上下方向）を基準にして、鉛直方向からの傾斜角度を検出する。

図９に示されているように、制御ユニット５は、制御基板２４１、と電源基板２４２と、左モータドライバ基板２４３と、右モータドライバ基板２４４と、Ｉ／Ｏインターフェース基板２４５と、送風ファン２４７とを備えている。

制御基板２４１は、マイクロコンピュータを構成するＣＰＵを有し、電動モータ８２Ｌ，８２Ｒ等の制御に供される制御回路２６１（図１０参照）を備えた基板である。制御基板２４１は、上下に配列された傾斜センサ７と電源基板２４２の一側（ここでは、後方）において、上下方向に（すなわち、基板表面が前後方向と直交するように）延在して、当該傾斜センサ７と電源基板２４２の側部に架け渡されるように配置されている。制御基板２４１の下部は、スペーサ４０２および連結部材２５２を介して電源基板２４２の後端に接続されている。同様に、制御基板２４１の上部は、図示しないスペーサおよび連結部材を介して電装マウントフレーム２０２（すなわち、傾斜センサ７のハウジング）の後端に固定されている。このような構成により、制御基板２４１と傾斜センサ７との間の信号ライン４０５、ならびに制御基板２４１と電源基板２４２との間の電力ライン４０６および信号ライン４０７の長さがそれぞれ短縮され、配線量を低減することができる。

電源基板２４２は、バッテリユニット１０から供給された電源電圧を所定の電圧に変換する電圧制御回路を備えた基板である。電源基板２４２は、電装マウントフレーム２０２の前端部から下方へと延出する連結部材２５１によって電装マウントフレーム２０２の下方に、前後方向かつ左右方向に延在するように取り付けられている。各電源基板２４２と、左右のモータドライバ基板２４３，２４４とは、複数のスペーサ部材４０１によってそれぞれの基板表面が互いに平行に配置されている。このような構成により、電源基板２４２と左モータドライバ基板２４３との間の電力供給に用いられる電力ライン４０８、ならびに電源基板２４２と右モータドライバ基板２４４との間の電力供給に用いられる電力ライン４０９の長さがそれぞれ短縮され、配線量を低減することができる。

電装ユニット１１の上部における一側および他側（ここでは、後方および前方）には、上部フレーム２１側と電気的に接続するための第２コネクタ２１６および第１コネクタ２１４がそれぞれ設けられている。第１コネクタ２１４は、上部フレーム２１側の第３コネクタ２９７（図４参照）と連結され、前側のバッテリ２８１からの電力供給やバッテリマネジメント基板２８２との制御信号の送受信等に用いられる。また、第２コネクタ２１６は、上部フレーム２１側の第４コネクタ３０１（図４参照）と連結され、後側のバッテリ２８１からの電力供給やバッテリマネジメント基板２８２との制御信号の送受信等に用いられる。

第１コネクタ２１４と電源基板２４２との間の電力供給や制御信号の送受信に用いられる電力・信号ライン（接続ライン）４１１は、傾斜センサ７と電源基板２４２との前方（すなわち、制御基板２４１とは逆側）に配設されている。これにより、バッテリ２８１から電源基板２４２への配線が最適化されて、コンパクトな電装ユニット１１を実現することができる。

左モータドライバ基板２４３および右モータドライバ基板２４４は、それぞれ電動モータ８２Ｌ，８２ＲのＰＷＭ制御に供される左または右ドライバ回路（インバータ回路）２５３，２５４（図１０参照）を備えた基板である。左モータドライバ基板２４３は、スペーサを介して電源基板２４２の下方に、電源基板２４２と平行に取り付けられている。右モータドライバ基板２４４は、スペーサを介して左モータドライバ基板２４３の下方に、左モータドライバ基板２４３と平行に取り付けられている。この構成により、電源基板２４２と左モータドライバ基板２４３との間と、左モータドライバ基板２４３と右モータドライバ基板２４４との間には、前後方向に延在する通気路２４６が形成される。

Ｉ／Ｏインターフェース基板２４５は、入力インターフェース回路２６５および出力インターフェース回路２６６（ともに図１０参照）を備えた基板である。Ｉ／Ｏインターフェース基板２４５は、電源基板２４２の後方の制御基板２４１の更に後方において、上下方向に延在するように配置されている。両基板２４１，２４５は、複数のスペーサ部材４０３によってそれぞれの基板表面が互いに平行に配置されている。

上記電装ユニット１１では、荷重センサ６、傾斜センサ７、電源基板２４２、及び左右の左モータドライバ基板２４３，２４４を上から順に一体的に配置したため、コンパクトな構成を実現しつつ、フレーム２の自由度を高めることが可能となる。また、下部フレーム２２と上部フレーム２１の分離により電装ユニット１１が容易に露出するため、簡易な構成により電装ユニット１１のメンテナンス等が可能となるという利点もある。

送風ファン２４７は、軸流ファンである。送風ファン２４７は、連結部材２５１の下端に締結され、左モータドライバ基板２４３および右モータドライバ基板２４４の前方に配置されている。このとき、送風ファン２４７の吸い込み口が前方を向き、吐き出し口が後方を向くように配置されている。

次に、電装ユニット１１の下部フレーム２２への固定構造について説明する。図８に示すように、電装マウントフレーム２０２の各連結部２０３の上下には、可撓性を有する一対のゴムブッシュ２７０Ａ，２７０Ｂが装着されている。各ゴムブッシュ２７０にはボルトＢ１が挿通され、電装マウントフレーム２０２と各支持ベース５３Ｌ、５３Ｒとが締結されている。このように、ゴムブッシュ２７０Ａ，２７０Ｂを介して電装マウントフレーム２０２を支持ベース５３Ｌ、５３Ｒに支持させた構成によって、下部フレーム２２からの振動は、ゴムブッシュ２７０で緩衝（遮断）され、電装ユニット１１に伝達され難くなっている。

下部フレーム２２に取り付けられた電装ユニット１１は、上部フレーム２１と下部フレーム２２との接続部を形成するくびれ部２Ａ内に位置し、送風ファン２４７、左モータドライバ基板２４３、右モータドライバ基板２４４が、下部フレーム２２の前後側壁３４に形成された通気孔３９間に配置される。

このような構成により、送風ファン２４７によって前方の通気孔３９から導入された外部からの冷却空気が、左モータドライバ基板２４３と右モータドライバ基板２４４との間に形成された通気路２４６を通過し、昇温された空気が後方の通気孔３９から排出される。したがって、送風ファン２４７および通気路２４６を用いて、電装ユニット１１の中でも特に発熱量が大きい左および右モータドライバ基板２４３，２４４を効率良く冷却することができるため、電装ユニット１１のコンパクト化を実現しつつ、その発熱を効果的に防止することが可能となる。また、電装ユニット１１が下部フレーム２２のくびれ部２Ａ内に配置されていることから、通気孔３９間の流路長が短くなり、より効率的な冷却が可能となっているという利点もある。

＜バッテリユニットの構成＞
図４および図６に示されているように、バッテリユニット１０は、２つのバッテリ２８１，２８１と、これらバッテリ２８１，２８１にそれぞれ取り付けられた２つのバッテリマネジメント基板２８２，２８２とを備えている。各バッテリマネジメント基板２８２は、図示しないマイクロコンピュータを構成するＣＰＵやメモリ等を有するバッテリマネジメント回路２８５（図１０参照）を備えており、各バッテリ２８１，２８１の充放電や使用するバッテリ２８１，２８１の選択を行う。なお、バッテリマネジメント基板２８２，２８２は、必ずしもバッテリ２８１，２８１と共にバッテリユニット１０を構成する必要はなく、例えば、電装ユニット１１に設けてもよい。しかしながら、バッテリマネジメント基板２８２，２８２をバッテリ２８１，２８１と共に上部フレーム２１に配置することにより、下部フレーム２２から上部フレーム２１を分離してバッテリ２８１，２８１の充電を容易に行うことができる。

バッテリ２８１，２８１は、上部フレーム２１における環状部分の内部空間２６の形状に対応するように、所定の曲率をもって湾曲状に形成されている。これにより、バッテリ２８１，２８１は、上部フレーム２１の下部開口部２５を通して、上部フレーム２１の前部内部空間２６Ａと、後部内部空間２６Ｂとに分離して挿入され、上部フレーム２１の各支持ベース５１Ｌ，５１Ｒにねじ締結されたバッテリブラケット２９１によって下方から支持されている。

このように、バッテリ２８１，２８１を上部フレーム２１の環状部分の内部空間２６の前後に配置することにより、移動体１の前後の重量バランスが均一化される。したがって、移動体１の重心位置の前後方向の偏りが防止され、安定した倒立振子制御が可能となるとともに、ハンドル７１を使用した持ち運びも容易となるという利点がある。

＜上部構造体と下部構造体の連結構造＞
次に、上部フレーム２１、着座ユニット４、バッテリユニット１０等から構成される上部構造体１３と、下部フレーム２２、走行ユニット３、電装ユニット１１等から構成させる下部構造体１４との連結構造について説明する。

上部フレーム２１と下部フレーム２２との連結に際しては、互いの下部開口部２５と上部開口部３１とを対向させるようにして配置し、上部構造体１３に設けられた図示しないガイド孔に下部構造体１４の第１ガイドピン２１５及び第２ガイドピン２１７（ともに図９参照）を挿入し、上部構造体１３と下部構造体１４とを組み合わせる。この状態で、図４に示すように、第１コネクタ２１４は第３コネクタ２９７に連結され、第２コネクタ２１６は第４コネクタ３０１に連結される。これにより、上部フレーム２１と下部フレーム２２とが電気的に接続され、両者の間で電力供給や制御信号の送受信が可能となる。また、上部フレーム２１の接続凹部２９の下面は、荷重センサ６の入力軸２０６に連結された連結部材ベース２１０の上面に当接し、入力軸２０６の先端部は接続凹部２９の連結孔３０を下方から上方に向けて貫通する。この状態で、入力軸２０６の先端部にナット３１４を螺合させ、連結部材ベース２１０とナット３１４との間に接続凹部２９の底部を挟持させる。このようにして、上部フレーム２１と荷重センサ６の入力軸２０６とが連結される。さらに、下部フレーム２２の上部開口部３１を画成する周縁部は、上部フレーム２１の下部開口部２５を画成する周縁部よりもやや小径に形成されており、周縁部の内側に遊嵌された状態にある。

以上の連結構造によって、上部構造体１３は荷重センサ６を介して下部構造体１４に支持される。そのため、搭乗者が着座ユニット４に着座した場合には、搭乗者Ｄの重量は上部構造体１３を介して荷重センサ６の入力軸２０６に入力される。

＜倒立振子制御系の構成＞
図９に示されているように、制御回路２６１には、入力インターフェース回路２６５を介して、荷重センサ６、傾斜センサ７、ひずみセンサ８Ｌ，８Ｒからの信号が入力される。この制御回路２６１は、倒立振子制御を行うものであって、入力される各種信号に基づいて、移動体１の倒立姿勢を維持すべく、左右ドライバ回路２５３，２５４を駆動させるためのＰＷＭ信号を生成する。

荷重センサ６は、入力軸２０６に入力される荷重に応じた信号を、制御回路２６１に出力する。ひずみセンサ８Ｌ，８Ｒは、ステップ１８３Ｌ，１８３Ｒに加わる荷重に応じた信号を、制御回路２６１に出力する。傾斜センサ７は、所定の基準線に対する自身の傾きに応じた信号を制御回路２６１に出力する。

制御回路２６１は、荷重センサ６からの信号に基づいて、入力軸２０６に入力される荷重を算出し、算出した荷重と所定の閾値とを比較して、着座ユニット４に搭乗者が着座しているか否かを判定する。また、制御回路２６１は、ひずみセンサ８Ｌ，８Ｒからの信号に基づいて、ステップ１８３Ｌ，１８３Ｒに加わる荷重を算出し、算出した荷重と所定の閾値とを比較して、ステップ１８３Ｌ，１８３Ｒに搭乗者が足を乗せているか否かを判定する。

更に、制御回路２６１は、着座ユニット４に着座しているか否かの判定結果と、ステップ１８３Ｌ，１８３Ｒへ足を乗せているか否かの判定結果とに基づいて、移動体１への搭乗者の有無および搭乗者の搭乗姿勢を判定する。本実施形態に係る移動体１では、図１１（ａ）に示されるように、搭乗者Ｄは着座ユニット４に着座して搭乗する着座搭乗姿勢と、図１１（ｂ）に示されるように、左右ステップ１８３Ｌ，１８３Ｒ上に起立し、格納位置にある着座ユニット４のクッション部を膝部および大腿部で挟みこむようにして搭乗する起立搭乗姿勢とをとることができる。着座ユニット４に着座していないと判定し、ステップ１８３Ｌ，１８３Ｒへ足を乗せていないと判定した場合には、移動体１に搭乗者はない（非搭乗状態）と判定する。着座ユニット４に着座していると判定した場合には、移動体１に搭乗者Ｄが着座搭乗姿勢で搭乗している（着座搭乗状態）と判定する。着座ユニット４に着座していないと判定し、ステップ１８３Ｌ，１８３Ｒに足を乗せていると判定した場合には、移動体１に搭乗者Ｄが起立搭乗姿勢で搭乗している（起立搭乗状態）と判定する。

また、制御回路２６１は、傾斜センサ７からの信号に基づいて、主輪８５の回転中心と搭乗者Ｄを含む移動体１の重心とを結んだ軸線Ｂと鉛直方向とのなす角度である傾斜角θ（図１１（ｂ）ではθ＝０の状態を示している。）を所定の演算処理により算出する傾斜推定部２６９を有する。傾斜角θは、前後方向をｘ軸、左右方向をｙ軸、鉛直方向をｚ軸とするｘｙｚ座標系を想定すると、ｘ軸方向への傾斜角であるｘ成分θｘと、ｙ軸方向への傾斜角であるｙ成分θｙとからなる。

そして、制御回路２６１は、傾斜角θに基づいて倒立振子制御を行う。倒立振子制御では、移動体１全体および搭乗者を含む重心を、走行ユニット３（主輪８５）の接地点の概ね真上に位置させるように、傾斜角θを制御目標値である基準角θｔに一致させる。搭乗者の有無および搭乗姿勢によって移動体１全体および搭乗者を含む重心位置が変化するため、基準角θｔは移動体１の非搭乗状態、着座搭乗状態、起立搭乗状態の各状態において設定されている。

上記構成の移動体１では、各構成要素のうち比較的重量の大きい走行ユニット３とバッテリユニット１０とが下部フレーム２２と上部フレーム２１とにそれぞれ離間して配置すると共に、それらの間に傾斜センサ７を配置する構成としたため、移動体１のコンパクト化を実現しつつ、その重心位置と傾斜センサ７の設置位置（くびれ部２Ａ）とを一致（または略一致）させることができ、傾斜センサ７の検出結果に基づく加速度（移動体１の傾斜角θ）の推定誤差が小さくなって制御応答性が向上する。加えて、移動体１の上下の重量バランスがより均一化され、移動体１を横倒しにした状態での持ち運びが容易となるという利点もある。

また、上記構成の移動体１では、上部フレーム２１に着座ユニット４を設けたため、走行ユニット３の重量がバッテリユニット１０に比べて大きい場合でも移動体１の上下の重量バランスを均一化することが可能となり、移動体１の重心位置と傾斜センサの設置位置とを略一致させることが容易となる。

また、上記構成の移動体１では、上部フレーム２１に着座ユニット４を設けると共に、下部フレーム２２にステップ１８３Ｌ，１８３Ｒを設けたため、搭乗者の荷重が下部フレーム２２と上部フレーム２１とに分散され、搭乗者を含めた移動体１の重心を傾斜センサ７の設置位置付近におくことができる。

本発明を特定の実施形態に基づいて詳細に説明したが、これらの実施形態はあくまでも例示であって、本発明はこれらの実施形態によって限定されるものではない。例えば、本発明に係る倒立振子型移動体は、上述のような一輪車に限らず、車輪（主輪）を複数備えた構成も可能である。また、電装ユニットにおいては、各構成要素の配置は互いに入れ替えることが可能であり、場合によっては、一部の構成要素を省略することも可能である。

１ 倒立振子型移動体
２ フレーム
２Ａ くびれ部（接続部）
３ 走行ユニット
４ 着座ユニット（荷重受け部）
５ 倒立振子制御ユニット
６ 荷重センサ（力センサ）
７ 傾斜センサ
８ ひずみセンサ
１０ バッテリユニット
１１ 電装ユニット
１３ 上部構造体
１４ 下部構造体
２１ 上部フレーム
２２ 下部フレーム
２４ サドル格納部
２６ 内部空間
２８ サドル取付孔
２９ 接続凹部
３０ 連結孔
３９ 通気孔
６３Ｌ，６３Ｒ サドル
７１ ハンドル
８２Ｌ，８２Ｒ 電動モータ
８４Ｌ，８４Ｒ 駆動体
８５ 主輪
１８３Ｌ，１８３Ｒ ステップ（ステップ部）
１８５ 下部カバー
１８６Ｌ，１８６Ｒ サイドカバー
２０２ 電装マウントフレーム
２０５ ボディ部
２０６ 入力軸
２１０ 連結部材ベース
２１４ 第１コネクタ
２１６ 第２コネクタ
２４１ 制御基板
２４２ 電源基板
２４３ モータドライバ基板
２４４ モータドライバ基板
２４６ 通気路
２４７ 送風ファン
２６１ 制御回路
２６９ 傾斜推定部
２７０ ゴムブッシュ
２８１ バッテリ
２８２ バッテリマネジメント基板
２９７ 第３コネクタ
３０１ 第４コネクタ
４１１ 電力・信号ライン（接続ライン）

Claims (4)

1. 下部フレームと、当該下部フレームの上側に分離可能に接続された上部フレームとからなる外殻構造を有する倒立振子型移動体であって、
   前記下部フレームに保持された移動用の走行ユニットと、
   前記上部フレームに保持され、前記走行ユニットに電力を供給するバッテリユニットとを備えたことを特徴とする倒立振子型移動体。
2. 前記下部フレームと前記上部フレームとのいずれかに保持されると共に、鉛直方向における前記走行ユニットと前記バッテリユニットとの間に配置された倒立振子制御用の電装ユニットを更に備えたことを特徴とする、請求項１に記載の倒立振子型移動体。
3. 前記走行ユニットは、環状の主輪と、当該主輪を回転駆動する電動モータと、当該電動モータの動力を前記主輪に伝達する駆動体とを有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の倒立振子型移動体。
4. 前記上部フレームに保持され、操作者の臀部を支持する着座部を更に備え、
   前記上部フレームが、前記バッテリユニットを収容する環状のバッテリ収容部を有し、前記着座部は、当該バッテリ収容部の中央の開口部に収容可能であることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれかに記載の倒立振子型移動体。

Images