JP4506776B2 - 走行装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば同一軸心線上に配置された２個の車輪を備えた同軸二輪車に使用して好適な走行装置に関する。より詳しくは、本発明の走行装置では、同軸二輪車においてブレーキ及び／またはアクセルレバーの操作に応じた走行の制御が良好に行われるようにする。

従来の同軸二輪車では、複数のジャイロ等により車両の傾きを検出して、主にピッチ軸方向の車両の姿勢制御を行うようにしている（例えば、特許文献１参照。）。

また、同軸二輪車において搭乗者による荷重の移動に応じて走行の制御を行うようにしている装置もある（例えば、特許文献２参照。）。

さらに同軸二輪車において座席を設けた装置も提案されている（例えば、特許文献３参照。）。

米国特許第５９７１０９１号公報 特開２００５−６４３５号公報 特開２００４−７４８１４号公報

ところで、上述のような同軸二輪車の走行装置においては、例えば搭乗者による荷重の移動に応じて走行の制御を行うことが実施されている。その場合に、荷重が後方に掛るとブレーキの制御が行われ、前方に掛るとアクセルの制御が行われるものである。これに対して、上述のような同軸二輪車の走行装置において、さらにブレーキやアクセルの操作を手動でも行えるようにすることが提案された。すなわち、ブレーキ及び／またはアクセルレバーを設けることで、より直接的な操作が行われるようにするものである。

ところが、上述のような同軸二輪車の走行装置において、ブレーキやアクセルが手動で操作されると、例えば走行中の操作では、慣性によって搭乗者に荷重の移動が発生する。その場合に、ブレーキが掛ると荷重は前方に移動し、アクセルが掛ると荷重は後方に移動することになる。すなわち、このような慣性による荷重の移動は、上述した走行の制御を行う際の荷重の移動と反対のものになっている。このため、２つの制御が対立し、特に手動操作に対しては円滑な制御が実現されない恐れが生じる。

そこで、従来の同軸二輪車の走行装置において、ブレーキやアクセルの操作を手動でも行えるようにするためには、例えばブレーキやアクセルの手動操作が行われた際に、搭乗者の荷重の移動に応じた走行の制御を遮断するなどの複雑な処置が必要とされる。従ってこのような処置を実現するために、複雑な制御機構を設けなくてはならず、従来の同軸二輪車の走行装置において、このようなブレーキやアクセルの手動操作は実現されていないものであった。

この出願はこのような点に鑑みて成されたものであって、解決しようとする問題点は、従来の装置では、手動でのブレーキやアクセルの操作は、本来の搭乗者の荷重の移動による走行の制御と対立するものであり、ブレーキやアクセルの制御に手動による操作を併用して行うことができなかったというものである。

このため本発明においては、ブレーキ及び／またはアクセルレバーの操作に従って運転者が搭乗するステッププレート及び／または運転者を支持する座席を前後に移動する機構を設け、ブレーキ及び／またはアクセルレバーの操作時に搭乗者による荷重が走行の制御に適切な方向に移動されるようにする。

これによって、手動でのブレーキやアクセルの操作と本来の走行の制御とが対立することがなくなり、ブレーキやアクセルの制御に手動による操作を併用して実施することが可能になる。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、平行に配置された複数の車輪と、運転者が足を乗せて搭乗するステッププレートと、前記ステッププレートに垂直に設けられたハンドルと、を有する走行装置であって、前記ハンドルにブレーキ及び／またはアクセルレバーを設け、前記ブレーキ及び／またはアクセルレバーの手動操作に連動して前記ステッププレートを前後に移動させることで、前記運転者の重心を前後に移動させる機構を設けたことを特徴とする走行装置である。
また、請求項２に記載の本発明は、平行に配置された複数の車輪と、運転者が足を乗せて搭乗するステッププレートと、運転者を支持する座席と、前記ステッププレートに垂直に設けられたハンドルと、を有する走行装置であって、前記ハンドルにブレーキ及び／またはアクセルレバーを設け、前記ブレーキ及び／またはアクセルレバーの手動操作に連動して前記座席を前後に移動させることで、前記運転者の重心を前後に移動させる機構を設けたことを特徴とする走行装置である。

また、請求項３に記載の走行装置においては、ステッププレートまたは座席を前後に移動する機構は、ブレーキ及び／またはアクセルレバーの操作を電気信号で取り出し、電気信号に応じて移動する駆動手段を設けて行うものである。

さらに請求項４に記載の走行装置においては、車輪の回転速度をＶ、ブレーキ及び／またはアクセルレバーの操作角度をθhとして、ステッププレートまたは座席の移動を車輪の回転軸からの角度θrefにおいて、
θref＝（Ａ1＋Ｂ0×θh）×Ｖ
ただし、Ａ1、Ｂ0は正の定数
とするものである。

以下、図面を参照して本発明を説明する。図１のＡ，Ｂには、本発明による走行装置を適用した同軸二輪車の一実施形態の構成を正面図及び側面図で示す。なお、この図１のＡ，Ｂにおいて、全体の主な構成は特許文献２に示された装置とほぼ等しいものである。

図１のＡ，Ｂにおいて、平行に配置された２個の車輪１Ｌ，１Ｒが設けられ、これらの車輪１Ｌ，１Ｒにはそれぞれ独立に駆動手段（モータ）２Ｌ，２Ｒが設けられる。また、これらの駆動手段２Ｌ，２Ｒの間が上下に分割された車両本体３Ｕ，３Ｄによって連結される。さらにこれらの車両本体３Ｕ，３Ｄには、図示していないがジャイロ等のセンサで検出された車両の傾きや、車両への荷重等の情報に応じて駆動手段２Ｌ，２Ｒの駆動を制御するための制御手段などの回路装置が設けられている。

また、車両本体３Ｕ，３Ｄの上側には、運転者が搭乗するステッププレートが設けられる。このステッププレートは左右に分割されたステップ４Ｌ，４Ｒで表され、これらのステップ４Ｌ，４Ｒは常に平行になるようにリンク機構（図示せず）で連結されている。さらに、ステップ４Ｌ，４Ｒの間にハンドル５が設けられる。このハンドル５は車両本体３Ｕ，３Ｄに対してロール軸方向に傾斜可能にされると共に、ハンドル５とステップ４Ｌ，４Ｒとの間は、互いに垂直となるようにリンク機構（図示せず）で連結されている。

さらに、ハンドル５の中間部に支持部材６を介して座席載置部７が設けられる。この座席載置部７の上にスライド部８が設けられ、スライド部８の上に座席９が設けられる。また、ハンドル５の上部の搭乗者（図示せず）によって把持される部分の近傍にブレーキ及び／またはアクセルレバー１０が設けられる。なお、図２には、搭乗者１１が搭乗している状態の様子を示す。この図２において、搭乗者１１は座席９に跨った状態で、ハンドル５上部のブレーキ及び／またはアクセルレバー１０に手を掛けている。

そこで、搭乗者１１がブレーキ及び／またはアクセルレバー１０に力を掛けていない状態では、図３のＡに示すようにレバー１０は中立の位置となっている。このとき座席９も中間の車輪１の車軸の鉛直上に位置されている。これに対して、搭乗者１１がブレーキを掛ける場合には、図３のＢに示すようにレバー１０を閉じる方向に力が掛けられる。このとき座席９が後方に移動するように、スライド部８とレバー１０との間に連動機構が設けられる。

また、搭乗者１１がアクセルを掛ける場合には、図３のＣに示すようにレバー１０を開く方向に力が掛けられる。このとき座席９が前方に移動するように、スライド部８とレバー１０との間に連動機構が設けられる。これによって、搭乗者１１がブレーキを掛けると搭乗者１１の身体が後方に移動され、アクセルを掛けると搭乗者１１の身体が前方に移動される。そしてこの身体の移動による荷重の移動は、上述した走行の制御を行う際の荷重の移動と同じ方向のものになっている。

さらにこの連動機構は、例えば図４のＡ〜Ｄに示すようなワイヤーとギア機構によって構築される。ここでレバー１０が操作されると、その回転軸に架けられた第１のワイヤー８１が移動され、このワイヤー８１に結合されたギア機構８２が駆動される。そしてこのギア機構８２の駆動によって第２のワイヤー８３が移動され、このワイヤー８３に取り付けられた座席９が前後に移動する。また、座席９の取り付け部にはばね８４，８５が設けられて、無負荷時は座席９が車輪１の車軸の鉛直上に来るように調整される。

これによって、図４のＢに示すようにレバー１０が中立の位置となっているときは、座席９は車輪１の車軸の鉛直上に位置されている。そして、搭乗者１１がブレーキを掛けるためにレバー１０を閉じる方向に力を掛けると、図４のＣに示すように座席９が車輪１の車軸の鉛直上より後方に移動される。また、搭乗者１１がアクセルを掛けるためにレバー１０を開く方向に力を掛けると、図４のＤに示すように座席９が車輪１の車軸の鉛直上より前方に移動される。なお、図４のＡには正面図を示す。

あるいは、上述の連動機構は、例えば図５のＡ〜Ｃに示すようなモータ９１とボールねじ９２の機構によって構築することもできる。すなわちこの機構では、レバー１０の位置に応じてモータ９１を駆動し、ボールねじ９２を回転させて座席９を任意の位置に移動させる。これにより、図５のＡに示すようにレバー１０が中立の位置ときは座席９も中間に位置させ、図５のＢに示すようにレバー１０を閉じると座席９を後方に移動させ、図５のＣに示すようにレバー１０を開くと座席９を前方に移動させることができる。

次に、一輪モデルの制御装置の具体構成を図６の模式図を用いて説明する。なお実際の二輪車両では、ステップ４のセンサは共通となる。また、図示のモデルで車輪１に連結したモータ２の制御は、図１〜５に示した車輪１Ｌ，１Ｒに連結されたモータ２Ｌ，２Ｒでは、それぞれ独立した制御装置により行われているものである。

この図６において、ステップ４に内蔵された荷重センサ（図示せず）からの荷重検出信号Ｗと、ステップ４に連結されたジャイロセンサや加速度センサからなる姿勢センサ１２からの本体姿勢角度検出信号θ0とが、制御装置１３内の姿勢制御部３１に供給される。そしてこれらの検出信号Ｗ及びθ0と、搭乗者等が発する外部からのステップ姿勢指令信号θrefとが演算され、算出された回転指令値ωrefがモータ制御部３２に供給される。

さらに車輪１とモータ２とは減速機１４を介して接続され、モータ２には回転角検出器１５が設けられる。そして、回転角検出器１５からのモータ回転角度位置信号θmが制御装置１３内のモータ制御部３２に供給される。これにより、上述の回転指令値ωrefに応じて形成されるモータ２への駆動電流がフィードバック制御され、車輪１の駆動が安定化される。このようにして、車輪１が安定に駆動されると共に、その駆動が姿勢センサ１２からの本体姿勢角度検出信号θ0等によって制御される。

図７には、図６に示した構成をさらにブロック図で表す。ただし、図７において図６と対応する部分には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。すなわち図７において、車輪１には減速機１４を介してモータ２が接続される。また、このモータ２には回転角検出器１５が接続されている。そして、ステップ（図示せず）に内蔵された荷重センサ１６からの荷重検出信号Ｗと、姿勢センサ１２からの本体姿勢角度検出信号θ０とが姿勢制御部３１に供給され、算出された回転指令値ωrefがモータ制御部３２に供給される。

そして、このような制御装置の構成においては、制御動作が、例えば図８に示すフローチャートのように行われる。すなわち図８において、モータの制御が開始されると、まず姿勢センサ１２から現在の本体姿勢角度検出信号θ0が検出され、荷重センサ１６から荷重検出信号Ｗが検出される（ステップＳ１）。

次に、ステップ姿勢指令信号θrefと現在の本体姿勢角度検出信号θ0の誤算が算出され、誤差ゼロとなるようＰＩＤ（Proportional-Integral-Derivative）制御を行う姿勢制御部３１により回転指令値ωrefを出力する。なお、ＰＩＤゲインは荷重Ｗにより決定される（ステップＳ２）。さらに、回転指令値ωrefに従ってモータトルクが発生され（ステップＳ３）、タイヤが回転される（ステップＳ４）。

従ってこの構成において、搭乗者（図示せず）の荷重ベクトルが車輪１の接地点よりも後部または前部に移動すると、いわゆる倒立振子制御によりバランスを保つためにモータ２を駆動して、車両は加減速して姿勢を保つように動かされる。これによって、例えば搭乗者（図示せず）の重心が前に掛ると加速し、後ろに掛ると減速する制御が行われる。

そこでさらに図９には、図７に示した構成を二輪車に展開すると共に、ブレーキ及び／またはアクセルレバー１０の処理を追加した構成のブロック図を示す。ただし、図９において図７と対応する部分には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

すなわち、姿勢センサ１２から信号が姿勢センサ回路１７に供給されると共に、例えばハンドル５の基部に設けられる旋回用ポテンショメータ１８からの信号が姿勢センサ回路１７に供給される。この姿勢センサ回路１７で算出された現在の本体姿勢角度検出信号θ0が姿勢制御部３１を含む中央制御装置３０に供給される。また、荷重センサ１６から荷重検出信号Ｗが中央制御装置３０に供給される。そして、中央制御装置３０ではそれぞれ左右の車輪１Ｌ、１Ｒを駆動制御するための回転指令値ωref1、ωref2が形成される。

これらの形成された回転指令値ωref1、ωref2が、それぞれモータ制御部３２Ｌ、３２Ｒに供給され、モータ制御部３２Ｌ、３２Ｒからのモータ電流Ｉm1、Ｉm2がモータ２Ｌ、２Ｒに供給される。これにより、減速機１４Ｌ、１４Ｒを介して車輪１Ｌ、１Ｒが駆動される。また、回転角検出器１５Ｌ、１５Ｒからのろモータ回転角度位置信号θm1、θm2がモータ制御部３２Ｌ、３２Ｒ及び中央制御装置３０に供給されて、フィードバック制御が行われている。

この構成において、ブレーキ及び／またはアクセルレバー１０の角度θhが、例えばポテンショメータにより検出されて中央制御装置３０に供給される。そして、中央制御装置３０で形成された回転指令値θsが座席スライダモータ９１に供給され、このモータ９１の回転がボールねじ９２で直動に変換されて座席９が移動される。なお、これらの回路装置には、バッテリ１９から回路電源として２４Ｖ、±１２Ｖ、５Ｖなどが供給される。

さらに、このような制御装置の構成においては、制御動作が、例えば図１０に示すフローチャートのように行われる。すなわち図１０において、モータの制御が開始されると、まず姿勢センサ１２から現在の本体姿勢角度検出信号θ0が検出され、荷重センサ１６から荷重検出信号Ｗが検出される（ステップＳ１１）。

次に、ブレーキ及び／またはアクセルレバー１０の角度θhを検出する（ステップＳ１２）。そして、例えば
θref＝（Ａ1＋Ｂ0×θh）×Ｖ
ただし、Ａ1、Ｂ0は正の定数
の式によって、速度Ｖに比例したステップ姿勢指令信号θrefを算出する（ステップＳ１３）。

さらに、姿勢指令信号θrefと現在の本体姿勢角度検出信号θ0の誤算が算出され、誤差ゼロとなるようにＰＩＤ制御を行う姿勢制御部３１によりモータ指令値ωref1、ωref2を出力する。なお、ＰＩＤゲインは荷重Ｗにより決定する（ステップＳ１４）。また、
θs＝θh×Ｃ0
ただし、Ｃ0は定数。
の式にて、座席スライダモータ９１への指令出力θsが形成される（ステップＳ１５）。

そして、モータ指令値ωref1、ωref2に従って車輪モータトルクが発生され、指令出力θsに従って座椅子スライダモータ９１が回転される（ステップＳ１６）。これにより、車輪１Ｌ、１Ｒが回転され、座席９がスライドされる（ステップＳ１７）。なお、速度Ｖと、ステップ姿勢指令信号θrefと、ブレーキ及び／またはアクセルレバー１０の角度θhの関係は、図１１に示すようになっている。

さらに図１２のＡ〜Ｃには、他の実施の形態として、座席９の替わりにステップ４を移動して重心の移動を実現する装置を示す。すなわちこの実施の形態では、図５に示したモータ９１とボールねじ９２による機構を、ステップ４の下に設けるものである。そこで、搭乗者１１がブレーキ及び／またはアクセルレバー１０に力を掛けていない状態では、図１２のＡに示すようにレバー１０は中立の位置となっている。このときステップ４も中間の車輪１の車軸の鉛直上に位置されている。

これに対して、搭乗者１１がブレーキを掛ける場合には、図１２のＢに示すようにレバー１０を閉じる方向に力が掛けられる。このときステップ４が後方に移動するように、モータ９１とボールねじ９２が駆動される。また、搭乗者１１がアクセルを掛ける場合には、図１２のＣに示すようにレバー１０を開く方向に力が掛けられる。このときステップ４が前方に移動するように、モータ９１とボールねじ９２が駆動される。

これによって、搭乗者１１がブレーキを掛けると搭乗者１１の身体が後方に移動され、アクセルを掛けると搭乗者１１の身体が前方に移動される。そしてこの身体の移動による荷重の移動は、例えば搭乗者１１がブレーキを掛ける場合とアクセルを掛ける場合とで、車両全体の姿勢が図１３のＡ、Ｂに示すように変化され、上述した走行の制御を行う際の荷重の移動と同じ方向のものになっている。

すなわち、上述の各実施の形態の走行装置においては、例えばハンドルに実装したレバーを閉じる方向に操作すると、ワイヤーまたは電動で結合された座席または足台がスライドして操縦者の重心は後部に移動する。これにより、倒立振子制御から前進している状態では、減速方向のトルクが作用し減速する。またレバーを反対方向に操作すると、操縦者の重心は全部に移動するため前進方向に加速する。

ここで、操縦者の重心ベクトルがタイヤ接地点よりも後部または前部に移動すると、倒立振子制御によりバランスを保つためにモータを駆動して、車両は加減速して姿勢を保つよう車両は動かされる。このようにレバー調整により搭乗者重心位置を図３のＢまたはＣにように変化させることによって車両姿勢変化させると、図６の制御装置で倒立振子制御により姿勢を保つようにモータ駆動して車両を加速・減速させる。

さらに、図１１に示すように、レバー角度θhの大きさに比例して制御指令（本体姿勢角度指令θref）を、車両速度Ｖに応じて変化させることで、搭乗者の重力ベクトルと慣性ベクトルの合成ベクトルがタイヤ接地点になるように図１３のＡ、Ｂのように制御される。これにより、搭乗者を安定に保ち急停止または加速することができる。これによって搭乗者は姿勢を変化しなくても、図１０の制御により車両を減速・加速することができる。このようにしてレバーの調整により速度制限することが可能となる。

こうして本発明の走行装置によれば、平行に配置された複数の車輪と、運転者が搭乗するステッププレート及び／または運転者を支持する座席と、ステッププレートに垂直に設けられたハンドルとを有する走行装置であって、ハンドルにブレーキ及び／またはアクセルレバーを設け、ブレーキ及び／またはアクセルレバーの操作に従ってステッププレート及び／または座席を前後に移動する機構を設けたことにより、同軸二輪車においてブレーキ及び／またはアクセルレバーの操作に応じた走行の制御が良好に行われるようにすることができる。

なお本発明は、上述の説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の精神を逸脱することなく種々の変形が可能とされるものである。

本発明による走行装置を適用した同軸二輪車の一実施形態の構成を示す正面図及び側面図である。 その説明のための図である。 その説明のための図である。 その説明のための図である。 その説明のための図である。 一輪車モデルの制御構造図である。 その説明のためのシステム構成図である。 その動作の説明のためのフローチャート図である。 ブレーキ及び／またはアクセルレバーを用いた制御装置の説明のための構成図である。 その動作の説明のためのフローチャート図である。 その説明のための図である。 本発明による走行装置を適用した同軸二輪車の他の実施形態の構成を示す構成図である。 その説明のための図である。

符号の説明

１Ｌ，１Ｒ…車輪、２Ｌ，２Ｒ…モータ、３Ｕ，３Ｄ…車両本体、４Ｌ，４Ｒ…ステップ、５…ハンドル、６…支持部材、７…座席載置部、８…スライド部、９…座席、１０…ブレーキ及び／またはアクセルレバー

Claims (4)

1. 平行に配置された複数の車輪と、運転者が足を乗せて搭乗するステッププレートと、前記ステッププレートに垂直に設けられたハンドルと、を有する走行装置であって、
   前記ハンドルにブレーキ及び／またはアクセルレバーを設け、
   前記ブレーキ及び／またはアクセルレバーの手動操作に連動して前記ステッププレートを前後に移動させることで、前記運転者の重心を前後に移動させる機構を設けたことを特徴とする走行装置。
2. 平行に配置された複数の車輪と、運転者が足を乗せて搭乗するステッププレートと、運転者を支持する座席と、前記ステッププレートに垂直に設けられたハンドルと、を有する走行装置であって、
   前記ハンドルにブレーキ及び／またはアクセルレバーを設け、
   前記ブレーキ及び／またはアクセルレバーの手動操作に連動して前記座席を前後に移動させることで、前記運転者の重心を前後に移動させる機構を設けたことを特徴とする走行装置。
3. 前記ステッププレートまたは座席を前後に移動する機構は、前記ブレーキ及び／またはアクセルレバーの操作を電気信号で取り出し、前記電気信号に応じて移動する駆動手段を設けて行うことを特徴とする請求項１又は２記載の走行装置。
4. 前記車輪の回転速度をＶ、前記ブレーキ及び／またはアクセルレバーの操作角度をθhとして、
   前記ステッププレートまたは座席の移動を前記車輪の回転軸からの角度θrefにおいて、
   θref＝（Ａ1＋Ｂ0×θh）×Ｖ
   ただし、Ａ1、Ｂ0は正の定数
   とすることを特徴とする請求項３記載の走行装置。

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