JP3981733B2

JP3981733B2 - 平行２輪乗用台車

Info

Publication number: JP3981733B2
Application number: JP2003323980A
Authority: JP
Inventors: 治松本; 清小森谷
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-09-17
Filing date: 2003-09-17
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2023-09-17
Also published as: JP2005094898A

Description

本発明は、台車上に乗った利用者のバランスを検出することにより、モータで駆動する平行２輪車の駆動制御を行って自立させるとともに前後進を行い、また利用者の体重移動のみによって自由な方向に操行することができるようにした平行２輪乗用台車に関する。

従来より、台車を備えた平行２輪車の各々の車輪を、互いに独立して作動するモータにより駆動するとともに、台車に乗った利用者を含めた台車にかかる重力バランスを検出して各モータの作動を制御し、台車を自立可能とするとともに、利用者の前後方向の重心移動を検出することにより前後進の意志及びその程度を推定して台車全体の前後進制御を行い、更に利用者による別途操作指示により操行方向の制御を行うようにした平行２輪乗用台車が提案され一部実用化がなされている。

このような平行２輪乗用台車としては例えば図３（ａ）に示すような平行２輪形式のスクータが存在する。この平行２輪形式のスクータにおいては、台車４１の両側に各々が互いに平行に、かつ台車４１に対して独立して回転可能に支持した車輪４２、４３を備え、台車４１にアルミニウム製ステアリングロッド４４を固定している。

この台車４１は図３（ｂ）にその主要構成部品を分解状態で示しているように、ケーシング４５の両側に第１モータ４６及び第２モータ４７を備え、その下方に配置するバッテリ４８、４８をその駆動電源とし、各モータに対応する車輪４２、４３を減速機を介して駆動している。このモータは２馬力程度のブラシレス形式で、高効率で耐久性が高く、メンテナンスフリーのものが用いられる。

また、バッテリ４８はニッカド（ＮｉＣｄ）電池、或いはニッケルメタルハイドライドを用いた電池が採用され、１１０ｋｇ程度の人が３４ｋｇの荷物を持って乗っても作動可能とし、バッテリの１回の充電で最大２８ｋｍ走行可能であり、通常の作動状態では１７ｋｍ程度走行可能とし、時速２０ｋｍの速度で走行することができるようにしている。また、これらのモータによる車輪を駆動する部分には減速機を備え、２４：１程度の減速比のヘリカルギアを用いて車輪を駆動している。

ケーシング内にはバランスセンサ５０を備え、１自由度につき少なくとも２つのレートジャイロによりその作動を検出し、合計５個のレートジャイロを備えており、また傾斜センサ（加速度センサ）を備えている。更に、一対の制御回路基板５１を備えており、この制御回路基板５１は上記ジャイロと傾斜センサの信号等の種々の信号を入力して両モータ４６、４７の正逆方向の回転制御を行い、車輪型倒立振り子の安定化制御法によってこの台車を自立可能としている。また、ステアリングロッド４４の上端にはハンドル５２を備え、このハンドル５２の片側に設けたグリップ５３を回転操作することにより両側のモータの回転速度を調節し、ステアリングを可能としている。

ケーシング４５の上方には、このケーシング４５を密封して覆うことができるシャーシ５４を備え、その上面に利用者が乗るゴム製の踏み台５５を備えている。このゴム製の踏み台５５内にはダイヤフラムスイッチを備え、利用者がこの上に乗るとスイッチがオンしてこの平行２輪形式のスクータが作動状態となり、降りるとオフして作動停止状態となるようにしている。この踏み台の高さは２０ｃｍ程度であり、広さは４８×６４ｃｍ程度である。

また、図３（ａ）に示すようにステアリングロッド４４はハンドル５２の高さ調節のため伸縮自在とし、そのハンドル５２にキー６７及び表示部６８を設け、キー６７により盗難防止機能の他速度制限セット機能も備え、表示部６８においては装置のオンオフ状態、モード状態、バッテリ残量等を表示している。

このような構成をなす平行２輪形式のスクータの制御装置部分の構成については、図４に示すように左右の車輪４２、４３を駆動する左右のモータ４６、４７は制御装置６０内の左右の各モータ制御部６１、６２によってその駆動が制御される。制御装置６０には前記バランスセンサ５０におけるレートジャイロ６３及び傾斜センサ６４、更には踏み台５５の踏み台センサ６５の信号が入力し、またハンドル５２に設けた左右のグリップ５３における操行用のグリップ操作量センサ６６、６６の信号、及びキースイッチ６７の信号が入力し、各モータ制御部６１、６２に対する総合制御を行うとともに、表示部６８に対して表示信号を出力する。

上記のような構成をなす平行２輪形式のスクータにおいては、利用者がキー６７を操作して機器を作動状態にし、この台車４１における踏み台６５上に乗るとこのスクータのバランス制御等が作動状態となる。この状態ではレートジャイロと傾斜センサを備えたバランスセンサ５０により台車４１上の利用者を含んだ全体の重量バランスを検出し、また台車の傾斜を検出することにより車輪型倒立振り子の安定化制御法によって左右のモータ４６、４７の駆動制御を行い、自立状態を維持している。

また、台車４１上における利用者の前後方向の重心移動を検出し、その重心移動が所定以上の時には利用者がその方向に移動することを希望しているものとして、その移動の程度に合わせた車輪の回転数調節を行い、希望する速度での前後進を行うようにしている。更に、利用者はハンドル５２の両端に設けた左右のグリップ５３の回動を行うことにより、左右の車輪の回転数調節を行い、進行方向を調節するステアリング操作を行うことができるようにしている。

上記のような作動を行わせるため、この装置においては図４に示すような制御システムを備え、その中心をなす制御装置６０には左右のモータ４６、４７の駆動を制御するモータ制御部６１、６２を備えている。この制御装置６０に対してバランスセンサ５０のレートジャイロ６３と傾斜センサ６４の信号を入力して車輪型倒立振り子の安定化制御法により自立制御を行う。また、踏み台センサ６５の信号を入力し、踏み台６５に利用者が乗ったか否かを検出する。また、前記傾斜センサ６４により前後方向の傾斜を検出して前後進制御を行い、ハンドル５２のグリップ操作量センサ６６の信号を入力して左右のモータの回転数、或いは回転方向を制御し操行制御を行う。更にハンドル５２上のキースイッチ６７の信号を入力し、更にハンドル５２に設けた表示部６８に必要な表示を行うことができるようにしている。なお、同軸二輪車における姿勢制御方法に関する技術として下記の特許文献が存在する。
特開昭６３−３０５０８２号公報

従来の平行２輪乗用台車としての平行２輪形式のスクータにおいては図３に示すように、台車４１からステアリングロッド４４を突出させ、その上端部に設けたハンドル５２の片端部にグリップ５３を設け、このグリップ５３を独立して回動操作することにより左右の車輪用モータの回転速度を調節してステアリングを行っている。

そのため、比較的身長が低い人でもまた高い人でも、台車４１上に立った利用者が容易にこのステアリング操作を行うことができるように、ハンドル５２を比較的低い位置から高位置迄延ばすことができるように、ステアリングロッド４４を伸縮自在にしておく必要がある。

したがってハンドル部分をできる限り軽量化するためにアルミニウム合金を用いたとしても、身長の高い人に合わせてステアリングロッドを構成し、更にハンドルを備えるため、全体の重量は重くならざるを得ない。また、このようなハンドルを台車上に設けると、全体が嵩張らざるを得ず、前記のような重量の増大と相まって、この平行２輪乗用台車の持ち運びが困難となり、例えば電車等への持ち込み、走行路上の段差部分でのも持ち上げ、階段の上り下りに際しての持ち運び、収納等が不便であり、特に女性や子供等の力の弱い人にはその取り扱いは困難とならざるを得ない。

更に、上記従来の平行２輪乗用台車においては、グリップ５３によって操行制御を行っているため、操行方向の調節時には少なくとも片手でグリップを操作する必要があり、例えば両手に荷物を持っている時には操作できず、また片手に荷物を持っているときも適切な操行調節をすることが困難になるという問題もある。

したがって本発明は、ハンドルを設けることなく、利用者の意志に沿って操行方向を自由に制御することができるようにした平行２輪乗用台車を提供することを主たる目的とする。

本発明は上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、左右に平行な車輪を備えた基台と、前記基台上における前記左右の車輪の間に配置され、左右方向に揺動自在に設けた搭乗台と、前記左右の車輪を独立して駆動するモータ及びモータ回転角度を検出する回転角度センサと、基台の前後方向のバランスを検出する基台傾斜角センサ、基台傾斜角速度センサと、搭乗台の基台に対する左右方向の相対角度を検出する搭乗台傾斜検出手段と、少なくとも前記センサの信号により前記モータの回転を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は前記信号により乗用台車のバランス制御を行い、基台の前後方向の傾斜角度により前後進を、また搭乗台の基台に対する左右方向の相対角度により操行方向を各々制御することを特徴とする平行２輪乗用台車としたものである。

また、請求項２に係る発明は、前記搭乗台傾斜検出手段は、搭乗台に設けた搭乗台傾斜センサと当該搭乗台傾斜センサに対応して基台に設けた基台傾斜センサの信号により検出するものであることを特徴とする請求項１記載の平行２輪乗用台車としたものである。

また、請求項３に係る発明は、前記搭乗台傾斜検出手段は、基台に対して搭乗台を左右方向に傾斜自在に支持する傾動支持部の回転角度を検出するものであることを特徴とする請求項１記載の平行２輪乗用台車としたものである。

本発明は上記のように構成したので、従来のもののような搭乗台車から突出するハンドルを設ける必要がなく、小型軽量化することができ、路面の段差、或いは階段において、更には電車においてこれを持ち運ぶことが容易となり、使用しやすい平行２輪乗用台車とすることができる。また従来のもののような左右のグリップの回転操作により操行調整を行う必要がなくなり、操行方向を利用者の体重移動によって制御することができるので、両手に荷物を持って移動することも可能となり、特に手の不自由な人でも容易に利用可能となる。_

本発明は、ハンドルを設けることなく、利用者の意志に沿って操行方向を自由に制御することができるようにした平行２輪乗用台車とするため、左右に平行な車輪を備えた基台と、前記基台上に左右方向に揺動自在に設けた搭乗台と、前記左右の車輪を独立して駆動するモータ及びモータ回転角度を検出する回転角度センサと、基台のバランスを検出する傾斜角度センサ、傾斜角速度センサと、搭乗台の基台に対する左右方向の相対角度を検出する搭乗台傾斜検出手段と、少なくとも前記センサの信号により前記モータの回転を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は前記信号により乗用台車のバランス制御を行い、基台の前後方向の傾斜角度により前後進を、また搭乗台の基台に対する左右方向の相対角度により操行方向を各々制御する。

本発明の実施例を図面に沿って説明する。図１には本発明による平行２輪乗用台車１を示しており、その概要は同図（ａ）に示すように前記図３に示す従来の平行２輪乗用台車からステアリングロッド４４、及びハンドル５２並びにその片端に設けたグリップ５３を取り除いた構成をなしている。即ち、図１（ａ）に示す平行２輪乗用台車１は前記従来例と同様に台車２の左右両側に互いに平行な車輪３、４を回転自在に配置し、後述するように各々対応するモータによって互いに独立して回転可能としている。台車１上部には利用者がその上に立って乗る搭乗台５を備え、また図示の例においては前記図３に示す従来のものと同様にキースイッチ６、表示部７を備えている。

この平行２輪乗用台車１は図１（ｂ）の概略構成を示す断面図に示すように、台車２については主要構成部材を備える基台８と、その上に載置する搭乗台５とからなり、搭乗台５は図示実施例においては基台８の傾動支持部１０により、基台８に対して左右方向に自由に傾動可能に支持されている。

また、この搭乗台５と基台８との間には、前記傾動支持部１０を中心としてその前後左右部分にスプリング１１を設けており、それにより搭乗台５上に乗った利用者の体重が左右方向に移動するとき、搭乗台５がそれに対応して左右に傾斜可能としている。

更にこの搭乗台５の下面には、前記スプリング１１と同様に、傾動支持部１０を中心として左右位置に搭乗台傾斜センサ１３を設け、基台８の上面にはその搭乗台傾斜センサ１３に対応した位置に基台傾斜センサ１４を設けている。この両傾斜センサの信号によって、搭乗台５の基台８に対する相対的な傾斜角度を左右方向に対応して検出することができるようにしている。

基台８にはその左右両側にモータ１５、１６を備え、各モータによって左右の車輪３、４を互いに独立して回転可能としている。図示実施例においては各モータ１５、１６に各々回転角度センサ２２、２３を設け、モータの回転角度、即ちこのモータにより図示されない減速機を介して駆動される車輪３及び車輪４の回転角度を検出可能としている。また、図示実施例においては基台８の下方にバッテリ１７を搭載しており、また上方には回路基板１８を備えている。更に図示実施例においては基台８の空所にレートジャイロ２０、基台傾斜センサ２１を設け、このレートジャイロ２０、基台傾斜センサ２１、モータ回転角度センサ２２、２３からの信号を回路基板１８の制御回路で処理し、車輪型倒立振り子の安定化制御法による前記従来のものと同様の作動により、この平行２輪乗用台車１を自立可能としている。

上記のような構成からなる図示実施例の平行２輪乗用台車１においては、前記のような種々のセンサの信号を入力し所定の作動を行うものであるが、その際には例えば図２に示すような制御システムによって作動させることができる。即ち、制御装置２５には制御装置全体の統合制御を行うソフトウエアで作動するシステム制御部２６を備え、搭乗台５に対して前記のように左右位置に設けた搭乗台傾斜センサ１３の各センサ信号を入力し、基台８に対して同様に前後左右位置に設けた基台傾斜センサ１４の各センサ信号を入力している。更に基台８内に設けたレートジャイロ２０、及び基台傾斜センサ２１の信号、キースイッチ６の信号、モータ１５の回転を検出するモータ回転角度センサ２２、及びモータ１６の回転を検出するモータ回転角度センサ２３の信号を入力している。

制御装置２５には、特にレートジャイロ２０、基台傾斜センサ２１の信号により乗用台車の自立制御を行うバランス制御部２８、特に基台傾斜センサ２１の信号により車両の前後進を制御する前後進制御部２７、特に搭乗台傾斜センサ１３の左右方向の信号と基台傾斜センサ１４の左右方向の信号とにより車両の進行方向制御する操行制御部２９、及びモータ１５の回転数、回転方向を制御するモータ制御部３０、同様にモータ１６の回転数、回転方向を制御するモータ制御部３１を備えている。また、制御装置２５にはキースイッチ６の信号を入力し、表示部７に対して必要な表示信号を出力している。

本発明による平行２輪乗用台車は上記のような構成、及び制御システムを採用することにより、搭乗台５の踏み台９に乗った利用者が前後方向に所定以上の重心移動を行うときには、前後方向に関しては、基台傾斜センサ２１の信号とシステム制御部２６により推定される前後方向の重心移動状態を検出し、前後進制御部２７がその傾斜の程度に比例して左右のモータ１５、１６を同方向に回転させ、前後進の制御を行う。

また、搭乗台５の踏み台９に乗った利用者が左右方向に所定以上の重心移動を行うときには、左右方向に配置した搭乗台傾斜センサ１３の信号と基台傾斜センサ１４の信号により、利用者の上記の体重移動状態を検出し、操行制御部２９がその傾斜の程度に比例して左右のモータ１５、１６を異なる方向、或いは異なる速度で回転させ、進行方向の制御を行う。なお、上記踏み台には、前記従来のものと同様にダイアフラムスイッチ等を用いてもよい。

本発明は上記のような実施例の他、例えば傾斜センサを傾動支持部１０に設け、この傾動支持部１０の傾斜角度を検出するセンサを用いてもよく、その際には基台８に対する搭乗台５の相対角度を直接検出する等、種々の態様で実施することができる。

本発明による平行２輪乗用台車は、特に携帯用台車として適するものであるが、より大型の台車にも適用でき、更に同様の技術を車輪走行可能な２足２輪ロボット等のロボットに対しても適用することができる。

本発明の実施例を示し、（ａ）はその斜視図であり、（ｂ）はその概要構成を示す断面図である。同実施例の制御システム構成図である。従来例を示し、（ａ）はその斜視図であり、（ｂ）は台車部分の分解斜視図である。従来例の制御システム構成図である。

符号の説明

１平行２輪乗用台車
２台車
３、４車輪
５搭乗台
６キースイッチ
７表示部
８基台
９踏み台
１０傾動支持部
１１スプリング
１３搭乗台傾斜センサ（左右方向）
１４基台傾斜センサ（左右方向）
１５、１６モータ
１７バッテリ
１８回路基板
２０レートジャイロ（前後方向）
２１基台傾斜センサ（前後方向）
２２、２３モータ回転角度センサ

Claims

左右に平行な車輪を備えた基台と、
前記基台上における前記左右の車輪の間に配置され、左右方向に揺動自在に設けた搭乗台と、
前記左右の車輪を独立して駆動するモータ及びモータ回転角度を検出する回転角度センサと、
基台の前後方向のバランスを検出する基台傾斜角センサ、基台傾斜角速度センサと、
搭乗台の基台に対する左右方向の相対角度を検出する搭乗台傾斜検出手段と、
少なくとも前記センサの信号により前記モータの回転を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は前記信号により乗用台車のバランス制御を行い、基台の前後方向の傾斜角度により前後進を、また搭乗台の基台に対する左右方向の相対角度により操行方向を各々制御することを特徴とする平行２輪乗用台車。
前記搭乗台傾斜検出手段は、搭乗台に設けた搭乗台傾斜センサと当該搭乗台傾斜センサに対応して基台に設けた基台傾斜センサの信号により検出するものであることを特徴とする請求項１記載の平行２輪乗用台車。
前記搭乗台傾斜検出手段は、基台に対して搭乗台を左右方向に傾斜自在に支持する傾動支持部の回転角度を検出するものであることを特徴とする請求項１記載の平行２輪乗用台車。