JP5062328B2 - 移動体、及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は移動体、及びその制御方法に関し、特に詳しくは倒立振子制御によって移動する移動体、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。また、台車本体には、モータを駆動するためのバッテリが搭載されている。このような倒立車輪型移動体では、例えば、ジャイロセンサからの出力に応じて、倒立状態を維持するように車輪が制御されている。すなわち、前後方向において、移動体全体の重心位置が車軸の上方になるように、車輪を制御する必要がある。

また、転倒を防止するためのストラットを設けた移動体も開示されている（特許文献２）。この文献では、斜め前後に、ストラットを伸ばすことで転倒を防止している。

特開２００６−２０５８３９号公報 特表２０００−５１４６８０号公報

このような倒立車輪型移動体では、安定な状態から倒立状態へと移行させる必要がある。例えば、移動体に人が搭乗することを考えた場合、人の乗り降りについては、安定状態で行うことが好ましい。しかしながら、上記のように、ストラットを伸ばす構成では、駆動輪の前後にストラットを伸ばすためのスペースが必要となる。これによって、座ったときの足の位置を確保することが困難になってしまう。すなわち、ストラットを伸ばした際において、ストラットが足や他の部品と当たらないように設計する必要がある。例えば、搭乗者の足を乗せるフットステップを設けた場合、フットステップとストラットが干渉してしまう。このため、設計が困難になってしまう。また、駆動輪の位置を変化させる構成では、大きな機構、アクチュエータが必要となり、移動体が大型化してしまう。

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、簡便な構成で、安定状態と倒立状態との間の移行を行うことができる移動体を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様にかかる移動体は、倒立振子制御によって移動する移動体であって、搭乗者が搭乗する搭乗席と、前記搭乗席の下側に配置された車台と、前記車台に対して回転可能に取り付けられた車輪と、前記車輪を回転駆動する第１の駆動部と、前記車台よりも前方側に突出した前方可動バーと、前記前方可動バーを回転駆動する第２の駆動部と、前記前方可動バーに取り付けられ、前記搭乗者の足が載置されるフットステップと、前記第２の駆動部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記制御部は、前記フットステップを地面から離れさせるように上昇させることで倒立状態へと移行させる、又は、前記フットステップを地面へと接触させるように下降させることで安定状態へと移行させるものである。これにより、前後に伸縮するストラットが不要となる。また、乗り心地を向上することができる。よって、簡便な構成で、安定状態と倒立状態との間の移行を行うことができる。

本発明の第２の態様にかかる移動体は、上記の移動体であって、前記車台よりも後方側に突出した後方可動バーと、前記後方可動バーを回転駆動する第３の駆動部と、をさらに備えるものである。これにより、簡便な構成で、安定状態と倒立状態との間の移行を行うことができる。

本発明の第３の態様にかかる移動体は、上記の移動体であって、前記制御部は、前記前方可動バーと前記後方可動バーとが同期して回転するように、前記第２及び第３の駆動部を制御するものである。これにより、安定状態と倒立状態との間の移行の移行をスムーズに行うことができる。

本発明の第４の態様にかかる移動体は、上記の移動体であって、前記前方可動バー、及び前記後方可動バーの少なくとも一方に対して回転可能に設けられた補助輪をさらに備えるものである。これにより、安定状態と倒立状態との間の移行の移行をスムーズに行うことができる。

本発明の第５の態様にかかる移動体は、上記の移動体であって、前記フットステップの回転を制限するストッパがさらに設けられているものである。これにより、安定状態と倒立状態との間の移行の移行をスムーズに行うことができる。

本発明の第６の態様にかかる移動体の制御方法は、搭乗者が搭乗する搭乗席と、前記搭乗席の下側に配置された車台と、前記車台に対して回転可能に取り付けられた車輪と、を備え、倒立振子制御によって移動する移動体の制御方法であって、前記車台から前側に突出した前方可動バーを回転駆動させ、前記前方可動バーを回転駆動することで、前記前方可動バーに取り付けられ、前記搭乗者の足が載置されるフットステップを地面から離れさせるように上昇させることで倒立状態へと移行させる、又は、前記フットステップを地面へと接触させるように下降させることで安定状態へと移行させるものである。これにより、前後に伸縮するストラットが不要となる。また、乗り心地を向上することができる。よって、簡便な構成で、安定状態と倒立状態との間の移行を行うことができる。

本発明の第７の態様にかかる移動体の制御方法は、上記の制御方法であって、前記移動体は、前記車台から後ろ側に突出した後方可動バーを更に備え、前記前方可動バー、及び前記後方可動バーを接地させた状態から離地させた状態に移行する際において、前記後方可動バーを前記前方可動バーの回転駆動と同期させて回転駆動させるものである。

本発明の第８の態様にかかる移動体の制御方法は、上記の制御方法であって、前記前方可動バーと前記後方可動バーとを同期させて駆動させて、前記移動体を後傾姿勢にさせた後、前記前方可動バーを離地させ、前記前方可動バーを離地させた後、倒立振子制御を行わせながら、前記後方可動バーを回転駆動させることで、前記後方可動バーを離地させるものである。

本発明の第９の態様にかかる移動体の制御方法は、上記の制御方法であって、前記移動体は、前記車台から後ろ側に突出した後方可動バーを更に備え、前記前方可動バー、及び前記後方可動バーを離地させた状態から接地させた状態に移行する際において、前記後方可動バーを前記前方可動バーの回転駆動と同期させて回転駆動させるものである。

本発明は、簡便な構成で、安定状態と倒立状態との間の移行を行うことができる移動体、及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の実施の形態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にかかる移動体の構成を示す図である。 移動体に搭乗者が搭乗した状態を示す斜視図である。 本発明の実施の形態にかかる移動体に設けられた車台の構成を示す側面図である。 移動体に設けられた前方バーのユニット構成を示す斜視図である。 移動体に設けられた後方バーのユニット構成を示す斜視図である。 移動体の倒立開始動作、及び倒立終了動作のフローを説明するための側面図である。 本発明の実施の形態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乃至図３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斜視図であり、図２は移動体１００の構成を模式的に示す図であり、左側に側面図、右側に正面図が示されている。図３は、移動体１００に搭乗者が搭乗した様子を示している。なお、図１、図２に示すように、移動体１００の前方向を＋Ｘ方向とし、左方向を＋Ｙ方向とし、上方向を＋Ｚ方向としている。また、図１、図２では、説明の明確化のため、一部の構成について透視して示している。

移動体１００は、倒立車輪型の移動体（走行体）であり、図２に示されるように、同軸上に配置された右駆動輪１８と、左駆動輪２０とを備えている。ここで、右駆動輪１８と左駆動輪２０の回転軸を車軸Ｃ１とする。移動体１００は、搭乗者が搭乗する搭乗席１１を有している。したがって、移動体１００は、人が座った状態で移動が可能な、座り乗り型モビリティロボットである。また、移動体１００は、人が乗っていない状態でも移動可能である。例えば、搭乗を希望するユーザが遠隔で操作すると、移動体１００がそのユーザの位置まで移動する。例えば、ユーザが呼び出しボタンなどを押すことで、移動体１００がユーザの近傍まで移動する。そして、移動体１００がユーザの前まで移動した後、ユーザが搭乗する。

移動体１００には、その骨格となるフレーム１０が設けられている。フレーム１０は、軽量なアルミニウムパイプなどによって構成されている。さらに、フレーム１０を覆うカバー１３が設けられている。カバー１３は、後述する車台１２などを覆っている。移動体１００には、椅子形状の搭乗席１１が設けられている。搭乗席１１は、カバー１３やフレーム１０に固定されている。フレーム１０及びカバー１３は、搭乗席１１の形状に沿って屈曲している。

搭乗席１１は、シート１１ａと、シートバック１１ｂとを有している。シート１１ａは、搭乗者８０が座る座面となるため、ほぼ水平に配置されている。搭乗者８０がシート１１ａの上に座ることで、図３に示すように搭乗者８０が搭乗した状態での移動が可能となる。シートバック１１ｂは、斜め後ろ方向に延びるように形成され、搭乗者８０の背中を支える背もたれ部となる。したがって、搭乗者８０がシートバック１１ｂにもたれた状態で、移動体１００が移動する。

搭乗席１１の直下には、車台１２が配置されている。車台１２には、右駆動輪１８、及び左駆動輪２０が取り付けられている。車台１２は、右駆動輪１８、及び左駆動輪２０を回転可能に支持している。右駆動輪１８、及び左駆動輪２０は、移動体１００を移動させるための車輪（駆動輪）となる。右駆動輪１８、及び左駆動輪２０は、車軸Ｃ１周りに回転する。すなわち、右駆動輪１８、及び左駆動輪２０は同軸上に配置されている。車台１２は、フレーム１０に取り付けられている。

この車台１２には、右駆動輪１８、左駆動輪２０を駆動するためのモータ（図示せず）等が搭載されている。また、移動体１００は倒立車輪型移動体であるため、搭乗席１１などを含む車体２２（上体部）が車軸Ｃ１回りに傾斜する。すなわち、搭乗席１１などを含む車体２２が回転可能に支持されている。車体２２は、車軸Ｃ１を回転中心として回転する上体部となる。換言すると、車軸Ｃ１を回転中心として、傾斜する部分が車体２２となる。この車体２２は、フレーム１０やカバー１３や搭乗席１１などを含んでいる。さらには、車台１２の一部、又は全部が車体２２に含まれていてもよい。倒立状態では、右駆動輪１８、及び左駆動輪２０の駆動によって、車体２２の傾斜角が変化する。車体２２には、傾斜角度を測定するためのジャイロセンサなどが設けられている。なお、図１に示すように、右駆動輪１８と左駆動輪２０の中間を座標中心Ｏとしている。すなわち、座標系の原点となる座標中心Ｏは、車軸Ｃ１上に存在する。移動体１００の進行方向は、水平面内において、車軸Ｃ１と垂直な方向になる。

車台１２の前方には、フットステップ１７が設けられている。搭乗者８０は、フットステップ１７に一度乗った後、搭乗席１１に座る。フットステップ１７は、搭乗席１１の下側に取り付けられている。また、フットステップ１７は、搭乗席１１の前方に延びている。図３に示すように、フットステップ１７には、搭乗者８０の両足が載置される。フットステップ１７は、車台１２に取り付けられている。

また、フットステップ１７の途中には、転倒を防止するための前方バー１４が設けられている。また、車台１２の後方には、転倒を防止するための後方バー１５が設けられている。すなわち、車軸Ｃ１よりも前側に配置された前方バー１４、及び車軸Ｃ１よりも後ろ側に配置された後方バー１５によって、前後方向への転倒を防止することができる。前方バー１４は、車台１２の前側に突出し、後方バー１５は、車台１２の後ろ側に突出している。従って、過度に前傾になると、前方バー１４の先端が地面と接触し、過度に後傾になると後方バー１５の先端が地面と接触する。

前方バー１４、及び後方バー１５は、回転駆動できるようになっている。前方バー１４、及び後方バー１５の回転軸は、右駆動輪１８、左駆動輪２０の車軸Ｃ１よりも下側（−Ｚ側）に配置されている。また、前方バー１４、及び後方バー１５の先端には、補助輪が設けられている。倒立状態において、補助輪を含む前方バー１４、及び後方バー１５は、地面から離れている。また、搭乗者８０が乗り降りするタイミングでは、補助輪を含む前方バー１４、及び後方バー１５が地面と接触する。なお、前方バー１４と後方バー１５のユニット構成については後述する。

搭乗席１１の両側には、アームレスト１６が設けられている。アームレスト１６は、フレーム１０やカバー１３に固定されている。アームレスト１６は搭乗者８０の肘よりも若干低い位置から前方に伸びている。アームレスト１６はシート１１ａよりも高い位置に配置されている。また、アームレスト１６はシート１１ａとほぼ平行になっている。アームレスト１６は、搭乗席１１の左右両側に、それぞれ配置されている。これにより、搭乗者８０は、両腕をアームレスト１６上に載置することができる。アームレスト１６は、シートバック１１ｂの中段に取り付けられている。図３に示すように、搭乗者８０が座った状態で、アームレスト１６の上に両腕が載せられる。

さらに、アームレスト１６には、操作モジュール２１が設けられている。ここでは、操作モジュール２１が右側のアームレスト１６上に搭載されている。また、操作モジュール２１は、アームレスト１６の先端側に取り付けられている。これにより、搭乗者８０の右手の位置に、操作モジュール２１が配置されるため、操作性を向上することができる。操作モジュール２１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８０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８０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８０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８０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。もちろん、操作モジュール２１は左側のアームレスト１６に搭載してもよく、両側のアームレスト１６に搭載してもよい。さらには、アームレスト１６以外に操作モジュール２１を搭載してもよい。

車台１２には、バッテリ３１、及び制御ボックス３２が搭載されている。バッテリ３１、及び制御ボックス３２は、車体２２の傾斜角度に応じて、車軸Ｃ１に対する前後位置が変化する。車台１２に設けられているベースプレートの上に、バッテリ３１、及び制御ボックス３２が載置されている。したがって、バッテリ３１、及び制御ボックス３２は、シート１１ａの直下に配置されることになる。ここでは、制御ボックス３２の前側に２つのバッテリ３１が配置されている。２つのバッテリ３１は、Ｙ方向に沿って配列されている。バッテリ３１は、充放電可能な二次電池である。制御ボックス３２によって、バッテリ３１の充放電が制御されている。

制御ボックス３２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、この制御ボックス３２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。制御ボックス３２は、操作モジュール２１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、モータ等を制御する。これにより、移動体１００が、操作モジュール２１での操作に応じて加減速しながら走行する。

また、バッテリ３１、及び制御ボックス３２は、車軸Ｃ１よりも上方に設置されている。バッテリ３１は、車軸Ｃ１よりも前側（＋Ｘ側）に配置され、制御ボックス３２は、車軸Ｃ１よりも後ろ側（−Ｘ側）に配置される。ここでは、制御ボックス３２とバッテリ３１とが離間して配置されている。すなわち、車軸Ｃ１の直上には、一定の隙間を隔てて、バッテリ３１と制御ボックス３２が対向配置されている。バッテリ３１を車軸Ｃ１の前側に配置することで、車体２２の重心位置を容易に車軸Ｃ１の直上に持って来ることができる。搭乗者８０の有無に関わらず、同じ傾斜角度で、重心位置が車軸Ｃ１のほぼ直上になる。

次に、車台１２の構成について図４を用いて説明する。図４は、車台１２の構成を示す側面図である。車台１２には、ベースプレート２３が設けられている。このベースプレート２３上に、バッテリ３１、及び制御ボックス３２が搭載されている。例えば、バッテリ３１の中には、バッテリパックが収納されている。また、制御ボックス３２の中には、ＣＰＵなどが収納されている。このベースプレート２３は、車軸Ｃ１に対して回転可能に設けられている。すなわち、ベースプレート２３の上面の角度が地面に対して傾斜すると、移動体１００の姿勢が変化する。さらに、ベースプレート２３には、フレーム１０が取り付けられている。ベースプレート２３の両端から、フレーム１０が上方に延びている。そして、このフレーム１０からアームレスト１６が延設されている。また、車台１２には、後方側の障害物を検知するレーザセンサ３７が設置されている。

ベースプレート２３の前側には、前方バー１４が設けられている。前方バー１４は、ベースプレート２３の前側に突出している。前方バー１４は、駆動軸Ｃ２を中心として回転駆動する。車台１２の先端には、前補助輪４１が支持されている。前補助輪４１は、従動輪であり、回転軸Ｃ３を中心として回転する。さらに、前方バー１４の前側には、フットステップ１７が取り付けられている。フットステップ１７の先端は、前方バー１４の先端、すなわち前補助輪４１よりも前側に配置されている。

また、ベースプレート２３の後ろ側には、後方バー１５が設けられている。後方バー１５は、駆動軸Ｃ４を中心として回転駆動する。後方バー１５の後端には、後補助輪５１が回転可能に支持されている。後補助輪５１は、従動輪であり、回転軸Ｃ５を中心として回転する。このように、前方バー１４、及び前方バー１５は、ベースプレート２３に対して矢印方向に揺動する。

次に、前方バー１４、及び後方バー１５の構成について、図５、及び図６を用いて説明する、図５は、前方バー１４のユニット構成を示す斜視図であり、図６は、後方バー１５のユニット構成を示す斜視図である。

まず、前方バー１４のユニットについて説明する。前方バー１４のユニットには、前補助輪４１、モータ４２、減速機４３、ウォームギヤホイール４４、ストッパ４５、ボルト４６、ベース４７、可動バー４８が設けられている。

ボルト４６はベース４７をベースプレート２３に固定する。すなわち、ベース４７は、ボルト４６によって、ベースプレート２３上に載置される。ベース４７には、可動バー４８を駆動するためのモータ４２が設けられている。モータ４２は、減速機４３に連結されている。減速機４３は、ウォームギヤホイール４４と連結されている。ウォームギヤホイール４４は、可動バー４８を回転可能に支持している。モータ４２からの駆動力は、減速機４３、及びウォームギヤホイール４４を介して可動バー４８に伝達する。これにより、可動バー４８が駆動軸Ｃ２周りに回転駆動する。駆動軸Ｃ２は、Ｙ方向と平行になっている。可動バー４８の角度がベース４７に対して変化する。ここでは、ウォームギヤホイール４４の両側にそれぞれ可動バー４８が設けられている。すなわち、ウォームギヤホイール４４の＋Ｙ側と−Ｙ側に可動バー４８が取り付けられている。

また、可動バー４８の先端には、転倒防止用の前補助輪４１が取り付けられている。ここでは、Ｙ方向において離間配置された２つの前補助輪４１が設けられている。前補助輪４１は、回転軸Ｃ３周りに回転する。回転軸Ｃ３は、Ｙ方向と平行になっている。移動体１００が過度に前傾した場合でも、前補助輪４１が接地するため、前方への転倒を防ぐことができる。また、倒立移動中に可動バー４８が駆動軸Ｃ２周りに回転すると、前補助輪４１と地面との距離が変化する。例えば、可動バー４８を下方向に回転させると、前補助輪４１と地面との距離が近くなり、上方向に回転させると前補助輪４１と地面との距離が遠くなる。ここで、可動バー４８の回転方向のうち、前補助輪４１と地面との距離が近くなる方向を接近方向とし、その反対方向を離隔方向とする。すなわち、接近方向は、可動バー４８の先端側（前補助輪４１側）が根元側（ウォームギヤホイール４４側）に対して下がっていく方向である。離隔方向は、可動バー４８の先端側（前補助輪４１側）が根元側（ウォームギヤホイール４４側）に対して上がっていく方向である。

可動バー４８には、フットステップ１７が取り付けられている。フットステップ１７は、可動バー４８に対して回転可能に支持されている。ここでは、フットステップ１７が回転軸Ｃ３周りに回動する。フットステップ１７の可動バー４８に対する角度が変化する。また、可動バー４８には、フットステップ１７の回転動作を制限するためのストッパ４５が設けられている。ストッパ４５は、フットステップ１７の先端が下がり過ぎるのを防止している。ストッパ４５によって、前補助輪４１が離地した状態でも、フットステップ１７の傾斜角度を保持することができる。よって、可動バー４８を駆動することで、フットステップ１７が上昇する。すなわち、可動バー４８を回転駆動することでフットステップ１７が持ち上げられ、離地する。

ここで、モータ４２と可動バー４８の間には、ウォームギヤホイール４４が設けられている。従って、モータ４２の駆動力がウォームギヤホイール４４を介して、可動バー４８に伝達する。可動バー４８側に、ウォームギヤホイール４４のウォームホイールが設けられ、モータ４２側にウォームが設けられている。このようにウォームギヤホイール４４を設けることによって、バックドライバビリティを無くすことができる。よって、意図しないタイミングにおいて、可動バー４８が回転するのを防ぐことができる。これにより、可動バー４８の角度を正確に制御することができる。

後方バー１５のユニット構成は、フットステップ１７、及びストッパ４５の有無以外、前方バー１４のユニットとほぼ同じになっている。すなわち、後方バー１５には、フットステップ１７が設けられていないため、ストッパが設けられていない。この点以外における後方バー１５の構成、及び動作は、基本的に前方バー１４と同じである。後方バー１５のユニットには、後補助輪５１、モータ５２、減速機５３、ウォームギヤホイール５４、ボルト５６、ベース５７、可動バー５８が設けられている。

ボルト５６はベース５７をベースプレート２３に固定する。すなわち、ベース５７は、ボルト５６によって、ベースプレート２３上に載置される。ベース５７には、可動バー５８を駆動するためのモータ５２が設けられている。モータ５２は、減速機５３に連結されている。減速機５３は、ウォームギヤホイール５４と連結されている。ウォームギヤホイール５４は、可動バー５８を回転可能に支持している。モータ５２からの駆動力は、減速機５３、及びウォームギヤホイール５４を介して可動バー５８に伝達する。これにより、可動バー５８が駆動軸Ｃ４周りに回転駆動する。駆動軸Ｃ４は、Ｙ方向と平行になっている。可動バー５８の角度がベース５７に対する変化する。

また、可動バー５８の先端には、転倒防止用の後補助輪５１が取り付けられている。ここでは、Ｙ方向において離間配置された２つの後補助輪５１が設けられている。後補助輪５１は、回転軸Ｃ５周りに回転する。回転軸Ｃ５は、Ｙ方向と平行になっている。移動体１００が過度に後傾した場合でも、後補助輪５１が接地するため、後方への転倒を防ぐことができる。また、倒立移動中に可動バー５８が駆動軸Ｃ４周りに回転すると、後補助輪５１と地面との距離が変化する。例えば、可動バー５８を下方向に回転させると、後補助輪５１と地面との距離が近くなり、上方向に回転させると後補助輪５１と地面との距離が遠くなる。ここで、可動バー５８の回転方向のうち、後補助輪５１と地面との距離が近くなる方向を接近方向とし、その反対方向を離隔方向とする。すなわち、接近方向は、可動バー５８の先端側（後補助輪５１側）が根元側（ウォームギヤホイール５４側）に対して下がっていく方向である。離隔方向は、可動バー５８の先端側（後補助輪５１側）が根元側（ウォームギヤホイール５４側）に対して上がっていく方向である。

ここで、モータ５２と可動バー５８の間には、ウォームギヤホイール５４が設けられている。従って、モータ５２の駆動力がウォームギヤホイール５４を介して、可動バー５８に伝達する。可動バー５８側に、ウォームギヤホイール５４のウォームホイールが設けられ、モータ５２側にウォームが設けられている。このようにウォームギヤホイール５４を設けることによって、バックドライバビリティを無くすことができる。よって、意図しないタイミングにおいて、可動バー５８が回転するのを防ぐことができる。これにより、可動バー５８の角度を正確に制御することができる。

倒立を開始するタイミング、及び倒立を終了するタイミングでは、前方バー１４に設けられたモータ４２と後方バー１５に設けられたモータ５２を同期して駆動する。すなわち、可動バー４８及び可動バー５８が同時に駆動するように、制御ボックス３２がモータ４２、及びモータ５２を制御する。これにより、ベースプレート２３に対する可動バー４８、及び可動バー５８の角度が徐々に変化していく。モータ４２が、前方バー１４を回転駆動することで、前補助輪４１の接地状態と離地状態間の移行を制御することができる。また、モータ５２は、後方バー１５を回転駆動することで、後補助輪５１の接地状態と離地状態間の移行を制御することができる。すなわち、モータ４２、及びモータ５２の動作によって、安定状態と倒立状態間の移行が制御される。

このモータ４２、５２の制御について、図７を用いて説明する。図７は、倒立開始動作、及び倒立終了動作を説明するための図であり、移動体１００を側面から見た図である。また、図７では、上側に倒立開始動作が示され、下側に倒立終了動作が示されている。各動作において、移動体１００が左から右の順で動作している。すなわち、倒立開始動作においては、図７のＡからＦの順に移動体１００の姿勢が変化していき、倒立終了動作において、図７のＧからＪの順に移動体１００の姿勢が変化していく。また、図７では、右側が移動体１００の前方方向になっている。

まず、倒立開始動作について説明する。まず、移動体１００に搭乗者８０が搭乗しておらず、駐車している状態では、前補助輪４１、及び後補助輪５１が接地している（図７Ａ）。すなわち、モータ４２によって、可動バー４８、及び可動バー５８が下側に降りた状態になっている。駐車時では、移動体１００が前傾姿勢になっている。この状態で、搭乗者８０が乗車する（図７Ｂ）。なお、移動体１００を前傾姿勢にしておくことで、乗りやすくなる。

そして、搭乗者８０が操作モジュール２１を操作して、倒立モードに移行する。例えば、操作モジュール２１に設けられている倒立開始ボタンを搭乗者８０が押すと、倒立モードに移行する。すると、倒立開始動作を行うため、まず、移動体１００が後傾姿勢になる（図７Ｃ）。前方バー１４の可動バー４８を接近方向に駆動するとともに、後方バー１５の可動バー５８を離隔方向に駆動する。すなわち、モータ４２とモータ５２とを同期して動作させて、移動体１００を後傾姿勢にする。この場合、移動体１００の前側が地面から離れ、後ろ側が地面と接近する方向に姿勢が変化する。なお、この間、前補助輪４１、及び後補助輪５１は地面と接触したままとなっている。このように姿勢が変化すると、前補助輪４１に加わる力が減少し、後補助輪５１に加わる力が増加する。

このあと、前方バー１４の可動バー４８を回転駆動して、フットステップ１７を上昇する（図７Ｄ）。すなわち、モータ４２を駆動して、可動バー４８を離隔方向に回転させる。これにより、後傾姿勢となった状態で、フットステップ１７、及び補助輪４１が離地する。また、前補助輪４１に加わる力が小さい姿勢となっているため、フットステップ１７の上昇に伴う姿勢変化は小さくなっている。すなわち、後傾姿勢のままフットステップ１７が離地する。なお、前方バー１４には、フットステップ１７の回転を規制するストッパ４５が設けられている。このため、可動バー４８を離隔方向に一定の角度回転させると、フットステップ１７が地面から離れる。

フットステップ１７を上昇させたら、前傾姿勢にする（図７Ｅ）。すなわち、後方バー１５の可動バー５８を離隔方向に回転駆動する。これにより、移動体１００が徐々に前傾姿勢になっていく。このタイミングでは、既に倒立振子制御が実行されている。従って、後方バー１５の回転駆動中に、倒立振子制御によって、右駆動輪１８、左駆動輪２０が駆動する。すなわち、倒立状態を維持するために、右駆動輪１８、左駆動輪２０が回転する。このように、右駆動輪１８、左駆動輪２０を制御しながら、後方バー１５の可動バー５８を離隔方向に回転させる。これにより、可動バー５８を離地させることができる。すなわち、可動バー５８がある一定角度以上、離隔方向に回転したとしても、右駆動輪１８、左駆動輪２０が後ろ方向に回転する。すると、重心位置が車軸Ｃ１の真上に来るため、倒立状態が維持される。よって、後方バー１５のユニットが地面と接触しなくなる。そして、倒立走行が開始する（図７Ｆ）。このようにすることで、簡便な制御で、駐車モードから倒立モードへの移行を実施することができる。安定状態と倒立状態との間の移行の移行をスムーズに行うことができる。また、乗車するタイミングでは、前補助輪４１、及び後補助輪５１が接地しているため、安全に搭乗することができる。

次に、倒立終了制御について説明する。すなわち、倒立モードから降車モードに移行するときの制御について説明する。まず、搭乗者８０が操作モジュール２１を操作して、倒立走行終了ボタンを押す（図７Ｇ）。これにより、倒立走行を終了させるための制御が開始する。すると、まず、前方バー１４の可動バー４８と後方バー１５の可動バー５８が回転して、フットステップ１７を降下させる（図７Ｈ）。ここでは、可動バー４８、及び可動バー５８が、同期して、接近方向に回転する。これにより、前補助輪４１、及び後補助輪５１が接地する。また、この状態では、フットステップ１７も接地している。そして、後方バー１５の可動バー５８を回転させて、移動体１００を前傾姿勢にする（図７Ｉ）。すなわち、モータ５２を駆動して、可動バー５８を接近方向に回転させるとともに、モータ４２を駆動して、可動バー４８を離隔方向に回転させる。そして、移動体１００が前傾姿勢になったら、搭乗者８０が降車する（図７Ｊ）。このように前傾姿勢にすることで、搭乗者８０が降車しやすくなる。なお、図７Ｊの降車状態は、図７Ａの駐車状態と同じ状態である。降車状態では、前補助輪４１及び後補助輪５１が接地しているために、静的に安定した安定状態になっている。よって、搭乗者８０が移動体１００から安全に降りることができる。このようにすることで、簡便な制御で、駐車モードから倒立モードへの移行を実施することができる。安定状態と倒立状態との間の移行の移行をスムーズに行うことができる。

このように、モータ４２とモータ５２とを同期して制御する。これにより、駐車状態から倒立状態への移行、あるいは倒立状態から降車状態への移行を安全かつ、迅速に行うことができる。すなわち、補助輪が接地して移動体１００を静的に安定させるような安定状態と、補助輪が離地して倒立状態が維持されるような倒立状態間の移行を容易に行うことができる。前後方向に伸縮するストラットなどが不要になるため、移動体１００の小型化を図ることができる。すなわち、ストラットが延びた状態よりも前後方向の全長をコンパクトにすることができる。また、設計上、前後のバーユニットがフットステップ１７や車台１２と干渉することを容易に防ぐことができる。このため、設計の自由度が広がる。さらに、駆動輪の高さを変える必要がなくなるためのアクチュエータ等が不要になる。これにより、構成を簡素化することができ、軽量化を図ることができる。また、前補助輪４１、及び後補助輪５１が設けられているため、接地中でも容易に回転駆動することができる。

また、上述したように、フットステップ１７は、可動バー４８の回転駆動に伴って上昇又は下降する。従って、駐車状態（又は降車状態）において搭乗者８０が乗車（又は降車）しようとする際には、可動バー４８の回転駆動に応じて、フットステップ１７も地面へと接触させるように下降させてあるために、搭乗者８０は容易に乗車（又は降車）を行うことができる。そして、搭乗者８０が乗車した後（又は降車する前）には、可動バー４８の回転駆動に応じてフットステップ１７も上昇（又は下降）するため、安定状態と倒立状態との間の移行に際して、より簡便な構成でフットステップ１７を上昇（又は下降）させることができる。

次に、移動体１００の制御系の構成について図８を用いて説明する。図８は、制御ボックス３２を含む制御系の構成を示すブロック図である。

制御ボックス３２には、車体２２に設けられたジャイロセンサ３３からの信号が入力されている。すなわち、ジャイロセンサ３３で検出した傾斜角度が制御ボックス３２に入力されている。ジャイロセンサ３３は、例えば、車体２２に設置されている。具体的には、座標中心０の近傍において、ジャイロセンサ３３は、車台１２に固定されている。また、操作モジュール２１での操作量が制御ボックス３２に入力されている。例えば、前後方向の並進速度や、左右の旋回速度などが操作量として操作モジュール２１から入力される。制御ボックス３２には、モータ３４、３６の回転速度がエンコーダ３８、３９から入力されている。

制御ボックス３２は、これらの入力に基づいて、右駆動輪１８、及び左駆動輪２０を駆動するモータ３４、３６に対して指令トルクを出力する。すなわち、モータ３４が指令トルクに応じて、右駆動輪１８を回転駆動し、モータ３６が指令トルクに応じて左駆動輪２０を回転駆動する。なお、モータ３４、３６からの動力は、プーリなどを介して、右駆動輪１８、左駆動輪２０に伝達されてもよい。

制御ボックス３２は、操作モジュール２１からの操作量とジャイロセンサ３３からの検出信号に基づいて、倒立制御計算を行い、制御目標値を算出する。さらに、制御ボックス３２は、モータの現在回転速度と、制御目標値に応じた目標回転速度の偏差を算出する。そして、制御ボックス３２は、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。制御ボックス３２は、アンプなどを介して、モータ３４、３６に駆動トルクに応じた指令値を出力する。これにより、移動体１００が、操作量に応じた速度及び方向に移動する。

また、制御ボックス３２は、操作モジュール２１での操作に応じて、モータ４２、及びモータ５２を制御する。例えば、操作モジュール２１で倒立開始操作が行なわれた場合、駐車状態から倒立状態に移行するために、モータ４２、及びモータ５２を駆動させる。これにより、図７のＡ〜Ｆに示したように、前方バー１４、及び後方バー１５が動作する。また、操作モジュール２１で、倒立終了操作が行われた場合、倒立状態から降車状態に移行するために、モータ４２、及びモータ５２を駆動させる。これにより、図７のＧ〜Ｊに示したように、前方バー１４、及び後方バー１５が動作する。もちろん、モータ４２、モータ５２にエンコーダを設けて、フィードバック制御を行ってもよい。

なお、バッテリ３１は、制御ボックス３２の各電気機器と、操作モジュール２１と、ジャイロセンサ３３と、モータ３４、３６と、エンコーダ３８、３９と、モータ４２と、モータ５２等に対して電源を供給している。すなわち、移動体１００に搭載された全部、又は一部の電気機器がバッテリ３１から供給される電源電圧によって動作する。

さらに、ジャイロセンサ３３によって検出された車体２２の検出角度がしきい値を越えた場合、倒立状態から降車状態に移行する。すなわち、前補助輪４１と後補助輪５１とを着地させる。例えば、車体２２が傾斜していない状態を０°とし、前後にそれぞれ１０°のマージンがあるとする。すなわち、機械的な制限から±１０°まで傾斜できるような設計になっているとする。この場合、±８°を越えた時点で、前方バー１４及び後方バー１５を駆動して、前補助輪４１と後補助輪５１とを着地させる。これにより、異常が発生して傾斜角度が大ききなった場合、速やかに安全な降車状態に移行することができる。前方バー１４と後方バー１５を独立制御するために、それぞれに、モータ４２、モータ５２を設けている。そして、制御ボックス３２は、別個のモータ４２、５２を同期して制御する。これにより、適切な動作制御を行うことができる。

上記の例では、２輪型の移動体について説明したが、これに限られるものではない。すなわち、１輪の移動体や３輪以上の移動体についても適用可能である。

以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２００８年１１月２７日に出願された日本出願特願２００８−３０２３１４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

本発明は、移動体、及びその制御方法に関し、特に詳しくは倒立振子制御によって移動する移動体、及びその制御方法として用いることができる。

１０ フレーム
１１ 搭乗席
１１ａ シート
１１ｂ シートバック
１２ 車台
１３ カバー
１４ 前方バー
１５ 後方バー
１６ アームレスト
１７ フットステップ
１８ 右駆動輪
２０ 左駆動輪
２１ 操作モジュール
２２ 車体
３１ バッテリ
３２ 制御ボックス
３３ ジャイロセンサ
３４ モータ
３６ モータ
３８ エンコーダ
３９ エンコーダ
４１ 前補助輪
４２ モータ
４３ 減速機
４４ ウォームギヤホイール
４５ ストッパ
４６ ボルト
４７ ベース
４８ 可動バー
４９ 減速機
５１ 前補助輪
５２ モータ
５３ 減速機
５４ ウォームギヤホイール
５６ ボルト
５７ ベース
５８ 可動バー
８０ 搭乗者
１００ 移動体
Ｃ１ 車軸
Ｃ２ 駆動軸
Ｃ３ 回転軸
Ｃ４ 駆動軸
Ｃ５ 回転軸
Ｏ 座標中心

Claims (9)

1. 倒立振子制御によって移動する移動体であって、
   搭乗者が搭乗する搭乗席と、
   前記搭乗席の下側に配置された車台と、
   前記車台に対して回転可能に取り付けられた車輪と、
   前記車輪を回転駆動する第１の駆動部と、
   前記車台よりも前方側に突出した前方可動バーと、
   前記前方可動バーを前記車台に対して回転駆動する第２の駆動部と、
   前記前方可動バーに対して回転可能に支持され、前記搭乗者の足が載置されるフットステップと、
   前記第２の駆動部を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記フットステップを地面から離れさせるように上昇させることで倒立状態へと移行させる、又は、前記フットステップを地面へと接触させるように下降させることで安定状態へと移行させる
   ことを特徴とする移動体。
2. 前記前方可動バーの回転軸が、前記車輪の車軸よりも下側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の移動体。
3. 倒立振子制御によって移動する移動体であって、
   搭乗者が搭乗する搭乗席と、
   前記搭乗席の下側に配置された車台と、
   前記車台に対して回転可能に取り付けられた車輪と、
   前記車輪を回転駆動する第１の駆動部と、
   前記車台よりも前方側に突出した前方可動バーと、
   前記前方可動バーを回転駆動する第２の駆動部と、
   前記前方可動バーに取り付けられ、前記搭乗者の足が載置されるフットステップと、
   前記車台よりも後方側に突出した後方可動バーと、
   前記後方可動バーを回転駆動する第３の駆動部と、
   前記第２の駆動部、及び前記第３の駆動部を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記フットステップを地面から離れさせるように上昇させることで倒立状態へと移行する際、及び前記フットステップを地面へと接触させるように下降させることで安定状態へと移行する際の少なくとも一方において、前記後方可動バーと前記前方可動バーとを同期して回転させるように制御する移動体。
4. 前記前方可動バー、及び前記後方可動バーの少なくとも一方に対して回転可能に設けられた補助輪をさらに備える
   ことを特徴とする請求項３に記載の移動体。
5. 前記フットステップの回転を制限するストッパがさらに設けられていることを特徴とする請求項１、又は２に記載の移動体。
6. 搭乗者が搭乗する搭乗席と、
   前記搭乗席の下側に配置された車台と、
   前記車台に対して回転可能に取り付けられた車輪と、
   前記車台よりも前方側に突出し、前記車台に対して回転する前方可動バーと、
   前記前方可動バーに対して回転可能に支持され、前記搭乗者の足が載置されるフットステップと、を備え、倒立振子制御によって移動する移動体の制御方法であって、
   前記車台から前側に突出した前方可動バーを回転駆動させ、
   前記前方可動バーを回転駆動することで、前記前方可動バーに取り付けられ、前記搭乗者の足が載置されるフットステップを地面から離れさせるように上昇させることで倒立状態へと移行させる、又は、前記フットステップを地面へと接触させるように下降させることで安定状態へと移行させる
   ことを特徴とする移動体の制御方法。
7. 搭乗者が搭乗する搭乗席と、
   前記搭乗席の下側に配置された車台と、
   前記車台に対して回転可能に取り付けられた車輪と、
   前記車台から前側に突出した前方可動バーと、
   前記前方可動バーに取り付けられ、前記搭乗者の足が載置されるフットステップと、
   前記車台から後ろ側に突出した後方可動バーと、を備え、倒立振子制御によって移動する移動体の制御方法であって、
   前記前方可動バーと前記後方可動バーとを同期して回転駆動させ、
   前記前方可動バー及び前記後方可動バーを同期して回転駆動することで、前記フットステップ及び前記後方可動バーを接地させた状態から離地させた状態、又は、前記フットステップ及び前記後方可動バーを離地させた状態から接地させた状態に移行する移動体の制御方法。
8. 前記前方可動バーと前記後方可動バーとを同期させて駆動させて、前記移動体を後傾姿勢にさせた後、前記前方可動バーを離地させ、
   前記前方可動バーを離地させた後、倒立振子制御を行わせながら、前記後方可動バーを回転駆動させることで、前記後方可動バーを離地させる
   ことを特徴とする請求項７に記載の移動体の制御方法。
9. 前記前可動バーの回転軸が、前記車輪の車軸よりも下側に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の移動体の制御方法。

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