JP5358371B2 - Omnidirectional vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、全方向移動車両に関する。 The present invention relates to an omnidirectional vehicle.
床面上を全方向（２次元的な全方向）に移動可能な全方向移動車両としては、例えば、特許文献１、２に見られるものが本願出願人により提案されている。これらの特許文献１、２に見られる全方向移動車両にあっては、床面に接地しながら該床面上を全方向に移動可能な、球体状又は車輪状又はクローラ状の移動動作部と、該移動動作部を駆動する電動モータ等を有するアクチュエータ装置とが車両の基体に組付けられている。そして、この車両は、アクチュエータ装置により移動動作部を駆動することによって、床面上を移動する。
As the omnidirectional vehicle that can move in all directions (two-dimensional omnidirectional) on the floor surface, for example, those shown in
また、この種の全方向移動車両の移動動作を制御する技術としては、例えば特許文献３に見られる技術が本願出願人により提案されている。この技術では、車両の基体が球体状の移動動作部に対して前後・左右に傾動自在に設けられている。そして、基体の傾き角を計測し、この傾き角を所要の角度に保つように、移動動作部を駆動する電動モータのトルクを制御することによって、基体の傾動動作に応じて車両を移動させるようにしている。 Further, as a technique for controlling the moving operation of this type of omnidirectional vehicle, for example, a technique found in Patent Document 3 has been proposed by the present applicant. In this technique, a vehicle base is provided so as to be tiltable in the front-rear and left-right directions with respect to a spherical moving operation unit. Then, the vehicle is moved according to the tilting motion of the base by measuring the tilt angle of the base and controlling the torque of the electric motor that drives the moving operation unit so as to keep the tilt angle at a required angle. I have to.
上記特許文献１〜３に記載された全方向移動車両は、いずれも利用者が搭乗して移動することを前提として構成されているため、例えば、シートによって利用者の尻部を支えながら移動することで利用者の歩行を補助するような用途に使用することはできない。近年では、社会福祉の観点から高齢者や障害者などの歩行を補助する機械の開発が求められており、上記特許文献１〜３の技術はそのような要望に応えることはできなかった。
Since all the omnidirectional vehicles described in
本発明は、上記問題を解決すべくなされたものであり、その目的は、利用者の歩行を補助することの可能な全方向移動車両を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an omnidirectional vehicle capable of assisting a user to walk.
上記目的を達成するために、請求項１に記載した発明は、基体（例えば、実施形態による基体９）と、前記基体に接続され、床面上の互いに直交する二方向を含む全方向に駆動力を発生する駆動機構（例えば、実施形態による移動動作部５及びアクチュエータ装置７）と、前記基体を伸縮させる伸縮機構（例えば、実施形態による直動アクチュエータ１４）と、前記基体に接続され、利用者の荷重を受ける荷重受け部（例えば、実施形態によるシート３）と、前記荷重受け部に作用する荷重を検出する荷重検出部（例えば、実施形態による荷重センサ５４）と、前記基体の傾斜角を検出する傾斜角検出部（例えば、実施形態による傾斜センサ５２）と、前記荷重検出部にて検出された前記荷重が一定値となるように前記伸縮機構を制御することで前記荷重受け部の高さ制御を行うと共に、前記傾斜角検出部にて検出された前記傾斜角が一定値となるように前記駆動機構を制御することで前記基体の姿勢制御を行う制御部（例えば、実施形態による制御ユニット５０）と、を備えることを特徴とする全方向移動車両（例えば、実施形態による全方向移動車両１）である。
これにより、利用者が歩行する際に、荷重受け部を利用者の尻部等の所定部位に押し付けて体重を支えながら、歩行に合わせて移動可能な全方向移動車両とすることができる。また、利用者の歩行時における姿勢や振動などに関わらず、利用者と全方向移動車両との位置関係を一定に保持することができる。
In order to achieve the above object, the invention described in
Thereby, when a user walks, it can be set as the omnidirectional mobile vehicle which can move according to a walk, pressing a load receiving part against predetermined parts, such as a user's buttocks, and supporting a weight. Further, the positional relationship between the user and the omnidirectional vehicle can be kept constant regardless of the posture or vibration of the user during walking.
請求項２に記載した発明は、前記制御部は、前記傾斜角検出部にて検出された前記傾斜角が０度となるように前記基体の姿勢制御を行う搭乗モードと、前記傾斜角検出部にて検出された前記傾斜角が所定の設定値となるように前記基体の姿勢制御を行う補助モードとの２つの動作モードを選択的に使用することを特徴とする。
これにより、利用者が全方向移動車両に搭乗して移動することもでき、また、利用者の歩行を補助するために全方向移動車両を利用することもできる。
The invention described in claim 2 is a boarding mode in which the control unit performs posture control of the base body so that the tilt angle detected by the tilt angle detection unit is 0 degrees, and the tilt angle detection unit. Two operation modes, an auxiliary mode for controlling the posture of the base body, are selectively used so that the tilt angle detected in
Thereby, a user can board and move on an omnidirectional vehicle, and can also use an omnidirectional vehicle to assist a user's walk.
請求項３に記載した発明は、前記制御部は、前記荷重検出部にて検出された前記荷重に応じて前記搭乗モードと前記補助モードとのいずれか一方の動作モードを選択することを特徴とする。
これにより、前記搭乗モードと前記補助モードとの２つの動作モードの一方を自動選択できるようになる。
The invention described in claim 3 is characterized in that the control unit selects one of the operation mode of the boarding mode and the auxiliary mode according to the load detected by the load detection unit. To do.
Thereby, one of the two operation modes of the boarding mode and the auxiliary mode can be automatically selected.
請求項４に記載した発明は、動作モード切替用のスイッチ（例えば、実施形態によるスイッチ１６）を備え、前記制御部は、前記スイッチの状態に応じて前記搭乗モードと前記補助モードとのいずれか一方の動作モードを選択することを特徴とする。
これにより、前記搭乗モードと前記補助モードとの２つの動作モードの一方を手動選択できるようになる。
The invention described in claim 4 includes a switch for switching an operation mode (for example, the
Thereby, one of the two operation modes of the boarding mode and the auxiliary mode can be manually selected.
請求項１に記載した発明によれば、利用者が歩行する際に、荷重受け部を利用者の尻部等の所定部位に押し付けて体重を支えながら、歩行に合わせて移動可能な全方向移動車両とすることができるため、利用者の歩行を補助することの可能な全方向移動車両を提供することができる。また、利用者の歩行時における姿勢や振動などに関わらず、利用者と全方向移動車両との位置関係を一定に保持することができるため、安全且つ安定した補助動作を利用者に提供することができる。 According to the first aspect of the present invention, when the user walks, the load receiving portion is pressed against a predetermined portion such as the user's buttocks so as to support the weight and move in all directions according to walking. Since it can be set as a vehicle, the omnidirectional mobile vehicle which can assist a user's walk can be provided. In addition, since the positional relationship between the user and the omnidirectional vehicle can be kept constant regardless of the posture or vibration of the user when walking, the user can be provided with a safe and stable auxiliary operation. Can do.
請求項２に記載した発明によれば、利用者が全方向移動車両に搭乗して移動することもでき、また、利用者の歩行を補助するために全方向移動車両を利用することもできるため、利便性の向上を図ることができる。
請求項３に記載した発明によれば、前記搭乗モードと前記補助モードとの２つの動作モードの一方を自動選択できるようになるため、利用者にモード選択のための余計な操作を強制することなく、利便性の向上に寄与することができる。
請求項４に記載した発明によれば、前記搭乗モードと前記補助モードとの２つの動作モードの一方を手動選択できるようになるため、利用者が自分の好みの動作モードに固定して全方向移動車両を使用できる。
According to the second aspect of the present invention, the user can travel on an omnidirectional vehicle, and can also use the omnidirectional vehicle to assist the user in walking. , The convenience can be improved.
According to the invention described in claim 3 , one of the two operation modes of the boarding mode and the auxiliary mode can be automatically selected, so that the user is forced to perform an extra operation for mode selection. It can contribute to the improvement of convenience.
According to the invention described in claim 4 , since one of the two operation modes of the boarding mode and the auxiliary mode can be manually selected, the user can fix the omnidirectional operation mode to his / her preferred operation mode. Mobile vehicles can be used.
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
まず、図１〜図６を参照して、本実施形態における全方向移動車両１の構造について説明する。なお、以下では、図中に示すＸＹＺ直交座標系を用いて、全方向移動車両１の各部の構造を説明する。
図１及び図２に示すように、本実施形態における全方向移動車両１は、利用者の荷重を受ける荷重受け部となるシート３と、床面に接地しながら該床面上を全方向（前後方向及び左右方向を含む２次元的な全方向）に移動可能な移動動作部５と、この移動動作部５を駆動する動力を該移動動作部５に付与するアクチュエータ装置７と、これらのシート３、移動動作部５及びアクチュエータ装置７が組付けられた基体９とを備える。
なお、上記移動動作部５及びアクチュエータ装置７は、本発明における駆動機構を構成するものである。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, with reference to FIGS. 1-6, the structure of the
As shown in FIGS. 1 and 2, the
The
ここで、本実施形態の説明では、「前後方向」、「左右方向」は、それぞれ、シート３に標準的な姿勢で搭乗した利用者の上体の前後方向、左右方向に一致もしくはほぼ一致する方向を意味する。なお、「標準的な姿勢」は、シート３に関して設計的に想定されている姿勢であり、利用者の上体の体幹軸を概ね上下方向に向け、且つ、上体を捻ったりしていない姿勢である。この場合、図１においては、「前後方向」、「左右方向」はそれぞれ、紙面に垂直な方向、紙面の左右方向であり、図２においては、「前後方向」、「左右方向」はそれぞれ、紙面の左右方向、紙面に垂直な方向である。また、本実施形態の説明では、参照符号に付する添え字「Ｒ」、「Ｌ」は、それぞれ全方向移動車両１の右側、左側に対応するものという意味で使用する。
Here, in the description of the present embodiment, “front-rear direction” and “left-right direction” respectively match or substantially match the front-rear direction and the left-right direction of the upper body of the user who has boarded the seat 3 in a standard posture. Means direction. The “standard posture” is a posture assumed in terms of design with respect to the seat 3, and the trunk axis of the user's upper body is generally directed vertically and the upper body is not twisted. It is posture. In this case, in FIG. 1, the “front-rear direction” and the “left-right direction” are the direction perpendicular to the paper surface and the left-right direction of the paper surface, respectively. In FIG. It is the left-right direction of the paper surface and the direction perpendicular to the paper surface. Further, in the description of the present embodiment, the suffixes “R” and “L” attached to the reference numerals are used to mean the right side and the left side of the
基体９は、移動動作部５及びアクチュエータ装置７が組付けられた下部フレーム１１と、下部フレーム１１の上端から上方（Ｚ軸方向）に延設され、後述の制御ユニット５０及び傾斜センサ５２を収納する第１支柱フレーム１３ａと、シート３を支持する第２支柱フレーム１３ｂとを備えており、さらに、第１支柱フレーム１３ａの上端と第２支柱フレーム１３ｂの下端との間には、基体９を伸縮させる伸縮機構である直動アクチュエータ１４が取り付けられている。
The
この直動アクチュエータ１４は、第１支柱フレーム１３ａの上端と第２支柱フレーム１３ｂの下端との間の距離（Ｚ軸方向の距離）、ひいてはシート３と移動動作部５との間の距離を伸縮可能とするものであり、本実施形態ではボールネジ機構を用いた場合を例示する。つまり、本実施形態における直動アクチュエータ１４は、回転軸がＺ軸方向と平行になるように第１支柱フレーム１３ａの上端に設置された伸縮用モータ１４ａと、この伸縮用モータ１４ａの上方に延設され、一端（下端側）が伸縮用モータ１４ａの回転軸と接続され、他端（上端側）が第２支柱フレーム１３ｂの下端と接続されたボールネジ１４ｂとを備えている。
The
上記のように構成された直動アクチュエータ１４においては、伸縮用モータ１４ａによってボールネジ１４ｂが回転駆動されることにより、第２支柱フレーム１３ｂがＺ軸方向に上下動し、その結果、基体９（具体的にはシート３と移動動作部５との間の距離）が伸縮して、シート３の高さ制御が可能となる。なお、詳細は後述するが、この伸縮用モータ１４ａは、制御ユニット５０によってその回転動作が制御されている。
In the
第２支柱フレーム１３ｂの上部には、該第２支柱フレーム１３ｂから前方側に張り出したシートフレーム１５が固定されている。そして、このシートフレーム１５上に、利用者が着座するシート３が装着されている。また、シート３の左右には、シート３に着座した利用者が必要に応じて把持するためのグリップ１７Ｒ、１７Ｌが配置され、これらのグリップ１７Ｒ、１７Ｌがそれぞれ、第２支柱フレーム１３ｂ（又はシートフレーム１５）から延設されたブラケット１９Ｒ、１９Ｌの先端部に固定されている。
また、第１支柱フレーム１３ａの右側面には、制御ユニット５０の動作モードを手動で選択するための動作モード切替用のスイッチ１６が外部に露出するように配置されている。
A
Further, an operation
下部フレーム１１は、左右方向に間隔を存して二股状に対向するように配置された一対のカバー部材２１Ｒ、２１Ｌを備える。これらのカバー部材２１Ｒ、２１Ｌの上端部（二股の分岐部分）は、前後方向の軸心を有するヒンジ軸２３を介して連結され、カバー部材２１Ｒ、２１Ｌの一方が他方に対して相対的にヒンジ軸２３の周りに揺動可能となっている。この場合、カバー部材２１Ｒ、２１Ｌは、図示を省略するバネによって、カバー部材２１Ｒ、２１Ｌの下端部側（二股の先端側）が狭まる方向に付勢されている。
また、カバー部材２１Ｒ、２１Ｌのそれぞれの外面部には、前記シート３に着座した利用者の右足を載せるステップ２５Ｒと左足を載せるステップ２５Ｌとが各々、右向き、左向きに張り出すように突設されている。
The
Further, on the outer surface of each of the
移動動作部５及びアクチュエータ装置７は、下部フレーム１１のカバー部材２１Ｒ、２１Ｌの間に配置されている。これらの移動動作部５及びアクチュエータ装置７の構造を図３〜図６を参照して説明する。なお、本実施形態で例示する移動動作部５及びアクチュエータ装置７は、例えば前記特許文献２の図１に開示されているものと同じ構造のものである。従って、本実施形態の説明においては、移動動作部５及びアクチュエータ装置７の構成に関して、前記特許文献２に記載された事項については、簡略的な説明に留める。
The moving
本実施形態では、移動動作部５は、ゴム状弾性材により円環状に形成された車輪体であり、ほぼ円形の横断面形状を有する。この移動動作部５（以降、車輪体５という）は、その弾性変形によって、図５及び図６の矢印Ｙ１で示す如く、円形の横断面の中心Ｃ１（より詳しくは、円形の横断面中心Ｃ１を通って、車輪体５の軸心と同心となる円周線）の周りに回転可能となっている。この車輪体５は、その軸心Ｃ２（車輪体５全体の直径方向に直交する軸心Ｃ２）を左右方向に向けた状態で、カバー部材２１Ｒ，２１Ｌの間に配置され、該車輪体５の外周面の下端部にて床面に接地する。
In the present embodiment, the moving
そして、車輪体５は、アクチュエータ装置７による駆動（詳細は後述する）によって、図５の矢印Ｙ２で示す如く車輪体５の軸心Ｃ２の周りに回転する動作（床面上を輪転する動作）と、車輪体５の横断面中心Ｃ１の周りに回転する動作とを行なうことが可能である。その結果、車輪体５は、それらの回転動作の複合動作によって、床面上を全方向に移動することが可能となっている。
アクチュエータ装置７は、車輪体５と右側のカバー部材２１Ｒとの間に介装される回転部材２７Ｒ及びフリーローラ２９Ｒと、車輪体５と左側のカバー部材２１Ｌとの間に介装される回転部材２７Ｌ及びフリーローラ２９Ｌと、回転部材２７Ｒ及びフリーローラ２９Ｒの上方に配置されたアクチュエータとしての電動モータ３１Ｒと、回転部材２７Ｌ及びフリーローラ２９Ｌの上方に配置されたアクチュエータとしての電動モータ３１Ｌとを備える。
The
The
電動モータ３１Ｒ、３１Ｌは、それぞれのハウジングがカバー部材２１Ｒ、２１Ｌに各々取付けられている。なお、図示は省略するが、電動モータ３１Ｒ、３１Ｌの電源（蓄電器）は、第１支柱フレーム１３ａ等、基体９の適所に搭載されている。
回転部材２７Ｒは、左右方向の軸心を有する支軸３３Ｒを介してカバー部材２１Ｒに回転可能に支持されている。同様に、回転部材２７Ｌは、左右方向の軸心を有する支軸３３Ｌを介してカバー部材２１Ｌに回転可能に支持されている。この場合、回転部材２７Ｒの回転軸心（支軸３３Ｒの軸心）と、回転部材２７Ｌの回転軸心（支軸３３Ｌの軸心）とは同軸心である。
The
The rotating
回転部材２７Ｒ、２７Ｌは、それぞれ電動モータ３１Ｒ、３１Ｌの出力軸に、減速機としての機能を含む動力伝達機構を介して接続されており、電動モータ３１Ｒ、３１Ｌからそれぞれ伝達される動力（トルク）によって回転駆動される。各動力伝達機構は、例えばプーリ・ベルト式のものである。すなわち、図３に示す如く、回転部材２７Ｒは、プーリ３５Ｒとベルト３７Ｒとを介して電動モータ３１Ｒの出力軸に接続されている。同様に、回転部材２７Ｌは、プーリ３５Ｌとベルト３７Ｌとを介して電動モータ３１Ｌの出力軸に接続されている。
The rotating
なお、上記動力伝達機構は、例えば、スプロケットとリンクチェーンとにより構成されるもの、あるいは、複数のギヤにより構成されるものであってもよい。また、例えば、電動モータ３１Ｒ、３１Ｌを、それぞれの出力軸が各回転部材２７Ｒ，２７Ｌと同軸心になるように各回転部材２７Ｒ、２７Ｌに対向させて配置し、電動モータ３１Ｒ、３１Ｌのそれぞれの出力軸を回転部材２７Ｒ、２７Ｌに各々、減速機（遊星歯車装置等）を介して連結するようにしてもよい。
The power transmission mechanism may be constituted by, for example, a sprocket and a link chain, or may be constituted by a plurality of gears. Further, for example, the
各回転部材２７Ｒ，２７Ｌは、車輪体５側に向かって縮径する円錐台と同様の形状に形成されており、その外周面がテーパ外周面３９Ｒ，３９Ｌとなっている。
回転部材２７Ｒのテーパ外周面３９Ｒの周囲には、回転部材２７Ｒと同心の円周上に等間隔で並ぶようにして、複数のフリーローラ２９Ｒが配列されている。そして、これらのフリーローラ２９Ｒは、それぞれ、ブラケット４１Ｒを介してテーパ外周面３９Ｒに取付けられ、該ブラケット４１Ｒに回転自在に支承されている。
同様に、回転部材２７Ｌのテーパ外周面３９Ｌの周囲には、回転部材２７Ｌと同心の円周上に等間隔で並ぶようにして、複数（フリーローラ２９Ｒと同数）のフリーローラ２９Ｌが配列されている。そして、これらのフリーローラ２９Ｌは、それぞれ、ブラケット４１Ｌを介してにテーパ外周面３９Ｌに取付けられ、該ブラケット４１Ｌに回転自在に支承されている。
Each rotating
A plurality of
Similarly, a plurality (the same number as the
前記車輪体５は、回転部材２７Ｒ側のフリーローラ２９Ｒと、回転部材２７Ｌ側のフリーローラ２９Ｌとの間に挟まれるようにして、回転部材２７Ｒ，２７Ｌと同軸心に配置されている。
この場合、図１及び図６に示すように、各フリーローラ２９Ｒ，２９Ｌは、その軸心Ｃ３が車輪体５の軸心Ｃ２に対して傾斜すると共に、車輪体５の直径方向（車輪体５をその軸心Ｃ２の方向で見たときに、該軸心Ｃ２と各フリーローラ２９Ｒ，２９Ｌとを結ぶ径方向）に対して傾斜する姿勢で配置されている。そして、このような姿勢で、各フリーローラ２９Ｒ，２９Ｌのそれぞれの外周面が車輪体５の内周面に斜め方向に圧接されている。
The
In this case, as shown in FIGS. 1 and 6, each of the free rollers 29 </ b> R and 29 </ b> L has the axis C <b> 3 inclined with respect to the axis C <b> 2 of the
より一般的に言えば、右側のフリーローラ２９Ｒは、回転部材２７Ｒが軸心Ｃ２の周りに回転駆動されたときに、車輪体５との接触面で、軸心Ｃ２周りの方向の摩擦力成分（車輪体５の内周の接線方向の摩擦力成分）と、車輪体５の前記横断面中心Ｃ１の周り方向の摩擦力成分（円形の横断面の接線方向の摩擦力成分）とを車輪体５に作用させ得るような姿勢で、車輪体５の内周面に圧接されている。左側のフリーローラ２９Ｌについても同様である。
More generally speaking, the
この場合、前記したように、カバー部材２１Ｒ，２１Ｌは、図示しないバネによって、カバー部材２１Ｒ，２１Ｌの下端部側（二股の先端側）が狭まる方向に付勢されている。このため、この付勢力によって、右側のフリーローラ２９Ｒと左側のフリーローラ２９Ｌとの間に車輪体５が挟持されると共に、車輪体５に対する各フリーローラ２９Ｒ，２９Ｌの圧接状態（より詳しくはフリーローラ２９Ｒ，２９Ｌと車輪体５との間で摩擦力が作用し得る圧接状態）が維持される。
In this case, as described above, the
以上説明した構造を有する全方向移動車両１においては、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌによりそれぞれ、回転部材２７Ｒ，２７Ｌを同方向に等速度で回転駆動した場合には、車輪体５が回転部材２７Ｒ，２７Ｌと同方向に軸心Ｃ２の周りに回転することとなる。これにより、車輪体５が床面上を前後方向に輪転して、車両１の全体が前後方向に移動することとなる。なお、この場合は、車輪体５は、その横断面中心Ｃ１の周りには回転しない。
また、例えば、回転部材２７Ｒ，２７Ｌを互いに逆方向に同じ大きさの速度で回転駆動した場合には、車輪体５は、その横断面中心Ｃ１の周りに回転することとなる。これにより、車輪体５がその軸心Ｃ２の方向（すなわち左右方向）に移動し、ひいては、全方向移動車両１の全体が左右方向に移動することとなる。なお、この場合は、車輪体５は、その軸心Ｃ２の周りには回転しない。
In the
Further, for example, when the
さらに、回転部材２７Ｒ，２７Ｌを、互いに異なる速度（方向を含めた速度）で、同方向又は逆方向に回転駆動した場合には、車輪体５は、その軸心Ｃ２の周りに回転すると同時に、その横断面中心Ｃ１の周りに回転することとなる。
この時、これらの回転動作の複合動作（合成動作）によって、前後方向及び左右方向に対して傾斜した方向に車輪体５が移動し、ひいては、全方向移動車両１の全体が車輪体５と同方向に移動することとなる。この場合の車輪体５の移動方向は、回転部材２７Ｒ，２７Ｌの回転方向を含めた回転速度（回転方向に応じて極性が定義された回転速度ベクトル）の差に依存して変化するものとなる。
以上のように車輪体５の移動動作が行なわれるので、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転速度（回転方向を含む）を制御し、ひいては回転部材２７Ｒ，２７Ｌの回転速度を制御することによって、車両１の移動速度及び移動方向を制御できることとなる。
Furthermore, when the
At this time, the
Since the moving operation of the
次に、本実施形態の全方向移動車両１の動作制御のための構成を説明する。なお、以降の説明では、図１及び図２に示すように、前後方向の水平軸をＸ軸、左右方向の水平軸をＹ軸、鉛直方向をＺ軸とするＸＹＺ座標系を想定し、前後方向、左右方向をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向と言うことがある。
Next, the structure for operation control of the
まず、全方向移動車両１の概略的な動作制御を説明すると、本実施形態では、基本的には、シート３に着座した利用者がその上体を傾けた場合（詳しくは、利用者と全方向移動車両１とを合わせた全体の重心点の位置（水平面に投影した位置）を動かすように上体を傾けた場合）に、該上体を傾けた側に基体９がシート３と共に傾動する。そして、この時、基体９が傾いた側に全方向移動車両１が移動するように、車輪体５の移動動作が制御される。例えば、利用者が上体を前傾させ、ひいては、基体９をシート３と共に前傾させると、全方向移動車両１が前方に移動するように、車輪体５の移動動作が制御される。
First, schematic operation control of the
すなわち、本実施形態では、利用者が上体を動かし、ひいては、シート３と共に基体９を傾動させるという動作が、全方向移動車両１に対する１つの基本的な操縦操作（全方向移動車両１の動作要求）とされ、その操縦操作に応じて車輪体５の移動動作がアクチュエータ装置７を介して制御される。
In other words, in this embodiment, the user moves the upper body and, as a result, tilts the
ここで、本実施形態の全方向移動車両１は、その全体の接地面としての車輪体５の接地面が、全方向移動車両１とこれに搭乗する利用者との全体を床面に投影した領域に比して面積が小さい単一の局所領域となり、その単一の局所領域だけに床反力が作用する。このため、基体９が傾倒しないようにするためには、利用者及び車両１の全体の重心点が車輪体５の接地面のほぼ真上に位置するように、車輪体５を動かす必要がある。
そこで、本実施形態では、利用者及び車両１の全体の重心点が、車輪体５の中心点（軸心Ｃ２上の中心点）のほぼ真上に位置する状態（より正確には当該重心点が車輪体５の接地面のほぼ真上に位置する状態）での基体９の姿勢を目標姿勢とし、基本的には、基体９の実際の姿勢を目標姿勢に収束させるように、車輪体５の移動動作が制御される。
Here, in the omnidirectional
Therefore, in this embodiment, the center of gravity of the user and the
また、車両１を発進させる場合等において、アクチュエータ装置７による推進力とは別に、例えば利用者が必要に応じて自身の足により床を蹴り、それにより車両１の移動速度を増速させる推進力（乗員の足平と床との摩擦力による推進力）を、付加的な外力として車両１に作用させた場合には、それに応じて車両１の移動速度（より正確には、利用者及び車両の全体の重心点の移動速度）が増速するように、車輪体５の移動動作が制御される。なお、当該推進力の付加が停止された状態では、車両１の移動速度が一旦、一定速度に保持された後、減衰して、該車両１が停止するように、車輪体５の移動動作が制御される（車輪体５の制動制御が行なわれる）。
In addition, when starting the
さらに、車両１に利用者が搭乗していない状態では、車両１の単体の重心点が、車輪体５の中心点（軸心Ｃ２上の中心点）のほぼ真上に位置する状態（より正確には当該重心点が車輪体５の接地面のほぼ真上に位置する状態）での基体９の姿勢を目標姿勢とし、該基体９の実際の姿勢を目標姿勢に収束させ、ひいては、基体９が傾倒することなく車両１が自立するように、車輪体５の移動動作が制御される。
Further, when the user is not on the
本実施形態では、以上の如き車両１の動作制御を行なうために、図１及び図２に示すように、マイクロコンピュータや電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのドライブ回路ユニットなどを含む電子回路ユニットにより構成された制御ユニット５０と、基体９の所定の部位の鉛直方向（重力方向）に対する傾斜角θb及びその変化速度（＝dθb/dt）を計測するための傾斜センサ５２と、シート３に作用する荷重を検出する荷重センサ５４と、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの出力軸の回転角度及び回転角速度を検出するための角度センサとしてのロータリーエンコーダ５６Ｒ，５６Ｌがそれぞれ、車両１の適所に搭載されている。
In the present embodiment, in order to control the operation of the
この場合、制御ユニット５０及び傾斜センサ５２は、例えば、基体９の第１支柱フレーム１３ａの内部に収容された状態で該第１支柱フレーム１３ａに取付けられている。また、荷重センサ５４は、シート３に内蔵されている。また、ロータリーエンコーダ５６Ｒ，５６Ｌは、それぞれ、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌと一体に設けられている。なお、ロータリーエンコーダ５６Ｒ，５６Ｌは、それぞれ、回転部材２７Ｒ，２７Ｌに装着してもよい。上記傾斜センサ５２は、より詳しくは、加速度センサとジャイロセンサ等のレートセンサ（角速度センサ）とから構成され、これらのセンサの検出信号を制御ユニット５０に出力する。
In this case, the
そして、制御ユニット５０が、傾斜センサ５２の加速度センサ及びレートセンサの出力を基に、所定の計測演算処理（これは公知の演算処理でよい）を実行することによって、傾斜センサ５２を搭載した部位（本実施形態では支柱フレーム１３）の、鉛直方向に対する傾斜角度θbの計測値とその変化速度（微分値）である傾斜角速度θbdotの計測値とを算出する。
この場合、計測する傾斜角度θb（以降、基体傾斜角度θbということがある）は、より詳しくは、それぞれ、Ｙ軸周り方向（ピッチ方向）の成分θb_xと、Ｘ軸周り方向（ロール方向）の成分θb_yとから成る。同様に、計測する傾斜角速度θbdot（以降、基体傾斜角速度θbdotということがある）も、Ｙ軸周り方向（ピッチ方向）の成分θbdot_x（＝dθb_x/dt）と、Ｘ軸周り方向（ロール方向）の成分θbdot_y（＝dθb_y/dt）とから成る。
Then, the
In this case, the tilt angle θb to be measured (hereinafter also referred to as the base body tilt angle θb) is more specifically, the component θb_x in the Y axis direction (pitch direction) and the X axis direction (roll direction), respectively. It consists of component θb_y. Similarly, the measured tilt angular velocity θbdot (hereinafter also referred to as the substrate tilt angular velocity θbdot) is also measured in the Y-axis direction (pitch direction) component θbdot_x (= dθb_x / dt) and the X-axis direction (roll direction). Component θbdot_y (= dθb_y / dt).
なお、本実施形態の説明では、上記基体傾斜角度θbなど、Ｘ軸及びＹ軸の各方向（又は各軸周り方向）の成分を有する運動状態量等の変数、あるいは、該運動状態量に関連する係数等の変数に関しては、その各成分を区別して表記する場合に、該変数の参照符号に、添え字“_x”又は“_y”を付加する。
この場合において、並進速度等の並進運動に係わる変数については、そのＸ軸方向の成分に添え字“_x”を付加し、Ｙ軸方向の成分に添え字“_y”を付加する。
一方、角度、回転速度（角速度）、角加速度など、回転運動に係わる変数については、並進運動に係わる変数と添え字を揃えるために、便宜上、Ｙ軸周り方向の成分に添え字“_x”を付加し、Ｘ軸周り方向の成分に添え字“_y”を付加する。
さらに、Ｘ軸方向の成分（又はＹ軸周り方向の成分）と、Ｙ軸方向の成分（又はＸ軸周り方向の成分）との組として変数を表記する場合には、該変数の参照符号に添え字“_xy”を付加する。例えば、上記基体傾斜角度θbを、Ｙ軸周り方向の成分θb_xとＸ軸周り方向の成分θb_yの組として表現する場合には、「基体傾斜角度θb_xy」というように表記する。
In the description of the present embodiment, a variable such as a motion state quantity having a component in each direction of the X axis and the Y axis (or a direction around each axis) such as the base body inclination angle θb, or a relation to the motion state quantity. For a variable such as a coefficient to be processed, a suffix “_x” or “_y” is added to the reference symbol of the variable when each component is expressed separately.
In this case, for a variable related to translational motion such as translational speed, a subscript “_x” is added to the component in the X-axis direction, and a subscript “_y” is added to the component in the Y-axis direction.
On the other hand, for variables related to rotational motion, such as angle, rotational speed (angular velocity), angular acceleration, etc., the subscript “_x” is added to the component around the Y axis for convenience in order to align the subscript with the variable related to translational motion. In addition, the subscript “_y” is added to the component around the X axis.
Further, when a variable is expressed as a set of a component in the X-axis direction (or a component around the Y-axis) and a component in the Y-axis direction (or a component around the X-axis), the reference numeral of the variable The subscript “_xy” is added. For example, when the base body tilt angle θb is expressed as a set of a component θb_x around the Y axis and a component θb_y around the X axis, it is expressed as “base body tilt angle θb_xy”.
前記荷重センサ５４は、利用者の重量による荷重を受けるようにシート３に内蔵され、その荷重に応じた検出信号を制御ユニット５０に出力する。そして、制御ユニット５０が、この荷重センサ５４の出力により示される荷重の計測値に基づいて、車両１に利用者が搭乗しているか否かを判断すると共に、シート３に作用する荷重が一定となるように直動アクチュエータ１４を制御する。言い換えれば、制御ユニット５０は、シート３に作用する荷重が一定となるようにシート３の高さ制御を行う。
The
ロータリーエンコーダ５６Ｒは、電動モータ３１Ｒの出力軸が所定角度回転する毎にパルス信号を発生し、このパルス信号を制御ユニット５０に出力する。そして、制御ユニット５０が、そのパルス信号を基に、電動モータ５３Ｒの出力軸の回転角度を計測し、さらにその回転角度の計測値の時間的変化率（微分値）を電動モータ５３Ｒの回転角速度として計測する。電動モータ３１Ｌ側のロータリーエンコーダ５６Ｌについても同様である。
制御ユニット５０は、上記の各計測値を用いて所定の演算処理を実行することによって、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度の目標値である速度指令値を決定し、その速度指令値に従って、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度をフィードバック制御する。
The
The
なお、電動モータ３１Ｒの出力軸の回転角速度と、回転部材２７Ｒの回転角速度との間の関係は、該出力軸と回転部材２７Ｒとの間の一定値の減速比に応じた比例関係になるので、本実施形態の説明では、便宜上、電動モータ３１Ｒの回転角速度は、回転部材２７Ｒの回転角速度を意味するものとする。同様に、電動モータ３１Ｌの回転角速度は、回転部材２７Ｌの回転角速度を意味するものとする。
The relationship between the rotational angular velocity of the output shaft of the
以下に、制御ユニット５０の制御処理をさらに詳細に説明する。
制御ユニット５０は、所定の制御処理周期で図７のフローチャートに示す処理（メインルーチン処理）を実行する。
まず、ステップＳ１において、制御ユニット５０は、傾斜センサ５２の出力を取得する。
次いで、ステップＳ２に進んで、制御ユニット５０は、取得した傾斜センサ５２の出力を基に、基体傾斜角度θbの計測値θb_xy_sと、基体傾斜角速度θbdotの計測値θbdot_xy_sとを算出する。
なお、以降の説明では、上記計測値θb_xy_sなど、変数（状態量）の実際の値の観測値（計測値又は推定値）を参照符号により表記する場合に、該変数の参照符号に、添え字“_s”を付加する。
Hereinafter, the control process of the
The
First, in step S <b> 1, the
Next, the process proceeds to step S2, and the
In the following description, when an observed value (measured value or estimated value) of an actual value of a variable (state quantity) such as the measured value θb_xy_s is represented by a reference symbol, a subscript is added to the reference symbol of the variable. Add “_s”.
次いで、制御ユニット５０は、ステップＳ３において、荷重センサ５４の出力を取得した後、ステップＳ４の判断処理を実行する。この判断処理においては、制御ユニット５０は、取得した荷重センサ５４の出力が示す荷重計測値があらかじめ設定された所定値よりも大きいか否かによって、車両１に乗員が搭乗しているか否か（シート３に乗員が着座しているか否か）を判断する。
そして、制御ユニット５０は、ステップＳ４の判断結果が肯定的である場合には、基体傾斜角度θbの目標値θb_xy_objを設定する処理と、車両１の動作制御用の定数パラメータ（各種ゲインの基本値など）の値を設定する処理とを、それぞれステップＳ５、Ｓ６で実行する。
Next, after acquiring the output of the
If the determination result in step S4 is affirmative, the
ステップＳ５においては、制御ユニット５０は、基体傾斜角度θbの目標値θb_xy_objとして、あらかじめ定められた搭乗モード用の目標値を設定する。
ここで、「搭乗モード」は、図８（ａ）に示すように、車両１に利用者が搭乗している場合での車両１の動作モードを意味する。この搭乗モード用の目標値θb_xy_objは、車両１とシート３に着座した利用者との全体の重心点（以降、車両・乗員全体重心点という）が車輪体５の接地面のほぼ真上に位置する状態となる基体９の姿勢において、傾斜センサ５２の出力に基づき計測される基体傾斜角度θbの計測値θb_xy_sに一致又はほぼ一致するようにあらかじめ設定されている。
また、ステップＳ６においては、制御ユニット５０は、車両１の動作制御用の定数パラメータの値として、あらかじめ定められた搭乗モード用の値を設定する。なお、定数パラメータは、後述するｈx，ｈy，Ｋi_a_x，Ｋi_b_x，Ｋi_a_y，Ｋi_b_y（ｉ＝１，２，３）等である。
In step S5, the
Here, the “boarding mode” means an operation mode of the
In step S <b> 6, the
以上の如くステップＳ５，Ｓ６の処理を実行した後、制御ユニット５０は、次にステップＳ７において、搭乗モード時のシートアシスト力演算処理を実行することにより、シート３に作用する荷重が一定となるように、直動アクチュエータ１４の伸縮速度（具体的には第２支柱フレーム１３ｂ、ひいてはシート３の上下動の速度）の速度指令値を決定する。なお、この搭乗モード時のシートアシスト力演算処理の詳細は後述する。
そして、制御ユニット５０は、次のステップＳ８において、搭乗モード時の車両制御演算処理を実行することによって、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの速度指令値を決定する。この搭乗モード時の車両制御演算処理の詳細は後述する。
After executing the processing in steps S5 and S6 as described above, the
And control
一方、上記ステップＳ４の判断結果が否定的である場合には、制御ユニット５０は、基体傾斜角度θb_xyの目標値θb_xy_objを設定する処理と、車両１の動作制御用の定数パラメータの値を設定する処理とを、ステップＳ９、Ｓ１０で実行する。
ステップＳ９においては、制御ユニット５０は、傾斜角度θbの目標値θb_xy_objとして、あらかじめ定められた補助モード用の目標値を設定する。
ここで、「補助モード」は、図８（ｂ）に示すように、車両１に利用者が搭乗していないが、シート３によって利用者の尻部を支えることにより、利用者の歩行を補助する場合での車両１の動作モードを意味する。この補助モード用の目標値θb_xy_objは、車両１単体の重心点（以降、車両単体重心点という）が車輪体５の接地面のほぼ真上に位置する状態となる基体９の姿勢において、傾斜センサ５２の出力に基づき計測される基体傾斜角度θbの計測値θb_xy_sに一致又はほぼ一致するようにあらかじめ設定されている。この補助モード用の目標値θb_xy_objは、搭乗モード用の目標値θb_xy_objと一般的には異なる。
On the other hand, if the determination result of step S4 is negative, the
In step S9, the
Here, as shown in FIG. 8 (b), the “auxiliary mode” is that the
また、ステップＳ１０においては、制御ユニット５０は、車両１の動作制御用の定数パラメータの値として、あらかじめ定められた補助モード用の値を設定する。この補助モード用の定数パラメータの値は、搭乗モード用の定数パラメータの値と異なる。
搭乗モードと補助モードとで、上記定数パラメータの値を異ならせるのは、それぞれのモードで上記重心点の高さや、全体質量等が異なることに起因して、制御入力に対する車両１の動作の応答特性が互いに異なるからである。
In step S <b> 10, the
The difference in the value of the constant parameter between the boarding mode and the auxiliary mode is due to the difference in the height of the center of gravity, the overall mass, etc. in each mode, and the response of the operation of the
以上の如くステップＳ９，Ｓ１０の処理を実行した後、制御ユニット５０は、次にステップＳ１１において、補助モード時のシートアシスト力演算処理を実行することにより、シート３に作用する荷重が一定となるように、直動アクチュエータ１４の伸縮速度の速度指令値を決定する。なお、この補助モード時のシートアシスト力演算処理の詳細は後述する。そして、制御ユニット５０は、次のステップＳ１２において、補助モード時の車両制御演算処理を実行することによって、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの速度指令値を決定する。この補助モード時の車両制御演算処理の詳細は後述する。
After executing the processing of steps S9 and S10 as described above, the
以上のステップＳ５、Ｓ６、Ｓ９、Ｓ１０の処理によって、搭乗モード及び補助モードの動作モード毎に個別に、基体傾斜角度θb_xyの目標値θb_xy_objと定数パラメータの値とが設定される。なお、これらステップＳ５、Ｓ６、Ｓ９、Ｓ１０の処理は、制御処理周期毎に実行することは必須ではなく、ステップＳ４の判断結果が変化した場合にだけ実行するようにしてもよい。
補足すると、搭乗モード及び補助モードのいずれにおいても、基体傾斜角速度θbdotのＹ軸周り方向の成分θbdot_xの目標値とＸ軸周り方向の成分θbdot_yの目標値とは、いずれも“０”である。このため、基体傾斜角速度θbdot_xyの目標値を設定する処理は不要である。
Through the processes in steps S5, S6, S9, and S10 described above, the target value θb_xy_obj of the base body tilt angle θb_xy and the value of the constant parameter are individually set for each operation mode of the boarding mode and the auxiliary mode. It should be noted that it is not essential to execute the processes of steps S5, S6, S9, and S10 every control processing cycle, and may be executed only when the determination result of step S4 changes.
Supplementally, in both the boarding mode and the assist mode, the target value of the component θbdot_x around the Y axis of the base body tilt angular velocity θbdot and the target value of the component θbdot_y around the X axis are both “0”. For this reason, the process which sets the target value of base | substrate inclination angular velocity (theta) bdot_xy is unnecessary.
次いで、ステップＳ１３に進んで、制御ユニット５０は、搭乗モード時においては、ステップＳ７及びＳ８で決定した速度指令値に応じて、伸縮用モータ１４ａ、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの動作制御処理を実行する一方、補助モード時においては、ステップＳ９及びＳ１０で決定した速度指令値に応じて、伸縮用モータ１４ａ、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの動作制御処理を実行する。
Next, the process proceeds to step S13, and the
この動作制御処理において、制御ユニット５０は、ステップＳ７またはＳ１１で決定した伸縮速度（シート３の上下動の速度）の速度指令値と、伸縮用モータ１４ａの回転軸に設置されたロータリーエンコーダ（図示省略）の出力に基づき計測した伸縮用モータ１４ａの回転速度の計測値との偏差に応じて、該偏差を“０”に収束させるように伸縮用モータ１４ａの出力トルクの目標値（目標トルク）を決定する。そして、制御ユニット５０は、その目標トルクの出力トルクを伸縮用モータ１４ａに出力させるように該伸縮用モータ１４ａの通電電流を制御する。
In this operation control process, the
また、この動作制御処理において、制御ユニット５０は、ステップＳ８またはＳ１２で決定した電動モータ３１Ｒの速度指令値と、ロータリーエンコーダ５６Ｒの出力に基づき計測した電動モータ３１Ｒの回転速度の計測値との偏差に応じて、該偏差を“０”に収束させるように電動モータ３１Ｒの出力トルクの目標値（目標トルク）を決定する。そして、制御ユニット５０は、その目標トルクの出力トルクを電動モータ３１Ｒに出力させるように該電動モータ３１Ｒの通電電流を制御する。左側の電動モータ３１Ｌの動作制御についても同様である。
以上が、制御ユニット５０が実行する全体的な制御処理である。
Further, in this operation control process, the
The above is the overall control process executed by the
次に、上記ステップＳ７について、つまり搭乗モード時のシートアシスト力演算処理の詳細について説明する。
制御ユニット５０は、荷重センサ５４の出力信号に基づいて、シート３に作用するＺ軸方向の荷重計測値Ｆzactを取得すると、その取得した荷重計測値Ｆzactと、荷重目標値Ｆzcmd（一定値）と、比例ゲイン係数Ｋpとからなる下記（１）式を用いて伸縮方向の速度指令値ｖzcmdを決定する。
ｖzcmd＝Ｋp・（Ｆzact−Ｆzcmd） ・・・（１）
これにより、搭乗モード時において、シート３に作用する荷重が一定となるような、直動アクチュエータ１４の伸縮速度の速度指令値ｖzcmdが決定されることになる。
Next, step S7, that is, details of the seat assist force calculation process in the boarding mode will be described.
When the
vzcmd = Kp (Fzact-Fzcmd) (1)
Thereby, in the boarding mode, the speed command value vzcmd of the expansion / contraction speed of the
次に、上記ステップＳ１１について、つまり補助モード時のシートアシスト力演算処理の詳細について説明する。
制御ユニット５０は、荷重センサ５４の出力信号に基づいて、シート３に作用するＺ軸方向の荷重計測値Ｆzactを取得すると、この荷重計測値Ｆzactを微分して荷重計測微分値Ｆzact_dotを算出し、これら荷重計測値Ｆzactと、荷重計測微分値Ｆzact_dotと、荷重目標値Ｆzcmd（一定値）と、比例ゲイン係数Ｋpと、微分ゲイン係数Ｋdからなる下記（２）式を用いて伸縮方向の速度指令値ｖzcmdを決定する。
ｖzcmd＝Ｋp・（Ｆzact−Ｆzcmd）＋Ｋd・Ｆzcmd_dot ・・・（２）
これにより、補助モード時において、シート３に作用する荷重が一定となるような、直動アクチュエータ１４の伸縮速度の速度指令値ｖzcmdが決定されることになる。
なお、上記（１）式に示すように、搭乗モード時では、シート３の荷重変動が小さいので（利用者はシート３に着座しているため）比例制御のみで対応可能であるが、上記（２）式に示すように、補助モード時では、シート３の荷重変動が大きいので（利用者はシート３に体重を預けつつ歩行しているため）微分制御を加えて追従性を良くしている。
Next, the details of the above-described step S11, that is, the sheet assist force calculation process in the assist mode will be described.
When the
vzcmd = Kp. (Fzact-Fzcmd) + Kd.Fzcmd_dot (2)
As a result, the speed command value vzcmd of the expansion / contraction speed of the
As shown in the above formula (1), in the boarding mode, since the load fluctuation of the seat 3 is small (since the user is seated on the seat 3), it can be handled only by proportional control. As shown in equation (2), since the load fluctuation of the seat 3 is large in the assist mode (because the user is walking with his / her weight on the seat 3), differential control is added to improve the followability. .
次に、上記ステップＳ８について、つまり搭乗モード時の車両制御演算処理の詳細について説明する。
なお、以降の説明においては、前記搭乗モードにおける車両・乗員全体重心点と、前記自立モードにおける車両単体重心点とを総称的に、車両系重心点という。該車両系重心点は、車両１の動作モードが搭乗モードである場合には、車両・乗員全体重心点を意味し、自立モードである場合には、車両単体重心点を意味する。
また、以降の説明では、制御ユニット５０が各制御処理周期で決定する値（更新する値）に関し、現在の（最新の）制御処理周期で決定する値を今回値、その１つ前の制御処理周期で決定した値を前回値ということがある。そして、今回値、前回値を特にことわらない値は、今回値を意味する。
また、Ｘ軸方向の速度及び加速度に関しては、前方向きを正の向きとし、Ｙ軸方向の速度及び加速度に関しては、左向きを正の向きとする。
Next, step S8, that is, details of the vehicle control calculation process in the boarding mode will be described.
In the following description, the vehicle / occupant overall center-of-gravity point in the boarding mode and the vehicle single body center-of-gravity point in the autonomous mode are collectively referred to as a vehicle system center-of-gravity point. When the operation mode of the
In the following description, regarding the value (value to be updated) determined by the
Further, regarding the speed and acceleration in the X-axis direction, the forward direction is a positive direction, and regarding the speed and acceleration in the Y-axis direction, the left direction is a positive direction.
本実施形態では、前記車両系重心点の動力学的な挙動（詳しくは、Ｙ軸方向からこれに直交する面（ＸＺ平面）に投影して見た挙動と、Ｘ軸方向からこれに直交する面（ＹＺ平面）に投影して見た挙動）が、近似的に、図９に示すような、倒立振子モデルの挙動（倒立振子の動力学的挙動）によって表現されるものとして、ステップＳ８の車両制御演算処理が行なわれる。 In the present embodiment, the dynamic behavior of the center of gravity of the vehicle system (specifically, the behavior seen by projecting from the Y-axis direction onto a plane (XZ plane) orthogonal thereto, and orthogonal to the X-axis direction) As shown in FIG. 9, the behavior of the inverted pendulum model (the dynamic behavior of the inverted pendulum) is approximately expressed as Vehicle control calculation processing is performed.
なお、図９において、括弧を付していない参照符号は、Ｙ軸方向から見た倒立振子モデルに対応する参照符号であり、括弧付きの参照符号は、Ｘ軸方向から見た倒立振子モデルに対応する参照符号である。
この場合、Ｙ軸方向から見た挙動を表現する倒立振子モデルは、車両系重心点に位置する質点６０_xと、Ｙ軸方向に平行な回転軸６２a_xを有して床面上を輪転自在な仮想的な車輪６２_x（以降、仮想車輪６２_xという）とを備える。そして、質点６０_xが、仮想車輪６２_xの回転軸６２a_xに直線状のロッド６４_xを介して支持され、該回転軸６２a_xを支点として該回転軸６２a_xの周りに揺動自在とされている。
In FIG. 9, reference numerals without parentheses are reference numerals corresponding to the inverted pendulum model viewed from the Y-axis direction, and reference numerals with parentheses refer to the inverted pendulum model viewed from the X-axis direction. Corresponding reference sign.
In this case, the inverted pendulum model expressing the behavior seen from the Y-axis direction has a mass point 60_x located at the center of gravity of the vehicle system and a rotation axis 62a_x parallel to the Y-axis direction. Wheel 62_x (hereinafter referred to as virtual wheel 62_x). The mass point 60_x is supported by the rotation shaft 62a_x of the virtual wheel 62_x via the linear rod 64_x, and can swing around the rotation shaft 62a_x with the rotation shaft 62a_x as a fulcrum.
この倒立振子モデルでは、質点６０_xの運動が、Ｙ軸方向から見た車両系重心点の運動に相当する。また、鉛直方向に対するロッド６４_xの傾斜角度θbe_xがＹ軸周り方向での基体傾斜角度計測値θb_x_sと基体傾斜角度目標値θb_x_objとの偏差θbe_x_s（＝θb_x_s−θb_x_obj）に一致するものとされる。また、ロッド６４_xの傾斜角度θbe_xの変化速度（＝dθbe_x/dt）がＹ軸周り方向の基体傾斜角速度計測値θbdot_x_sに一致するものとされる。また、仮想車輪６２_xの移動速度Ｖw_x（Ｘ軸方向の並進移動速度）は、車両１の車輪体５のＸ軸方向の移動速度に一致するものとされる。
In this inverted pendulum model, the motion of the mass point 60_x corresponds to the motion of the vehicle system center of gravity as viewed from the Y-axis direction. Further, the inclination angle θbe_x of the rod 64_x with respect to the vertical direction coincides with the deviation θbe_x_s (= θb_x_s−θb_x_obj) between the measured base body tilt angle value θb_x_s and the base body tilt angle target value θb_x_obj in the direction around the Y axis. Further, the changing speed (= dθbe_x / dt) of the inclination angle θbe_x of the rod 64_x is set to coincide with the measured body inclination angular velocity θbdot_x_s in the direction around the Y axis. Further, the movement speed Vw_x (translation movement speed in the X-axis direction) of the virtual wheel 62_x is the same as the movement speed in the X-axis direction of the
同様に、Ｘ軸方向から見た挙動を表現する倒立振子モデル（図９の括弧付きの符号を参照）は、車両系重心点に位置する質点６０_yと、Ｘ軸方向に平行な回転軸６２a_yを有して床面上を輪転自在な仮想的な車輪６２_y（以降、仮想車輪６２_yという）とを備える。そして、質点６０_yが、仮想車輪６２_yの回転軸６２a_yに直線状のロッド６４_yを介して支持され、該回転軸６２a_yを支点として該回転軸６２a_yの周りに揺動自在とされている。 Similarly, an inverted pendulum model (see the reference numerals in parentheses in FIG. 9) expressing the behavior viewed from the X-axis direction includes a mass point 60_y located at the vehicle system center of gravity and a rotation axis 62a_y parallel to the X-axis direction. And virtual wheels 62_y (hereinafter referred to as virtual wheels 62_y) that can rotate on the floor surface. The mass point 60_y is supported by the rotation shaft 62a_y of the virtual wheel 62_y via a linear rod 64_y, and can swing around the rotation shaft 62a_y with the rotation shaft 62a_y as a fulcrum.
この倒立振子モデルでは、質点６０_yの運動が、Ｘ軸方向から見た車両系重心点の運動に相当する。また、鉛直方向に対するロッド６４_yの傾斜角度θbe_yがＸ軸周り方向での基体傾斜角度計測値θb_y_sと基体傾斜角度目標値θb_y_objとの偏差θbe_y_s（＝θb_y_s−θb_y_obj）に一致するものとされる。また、ロッド６４_yの傾斜角度θbe_yの変化速度（＝dθbe_y/dt）がＸ軸周り方向の基体傾斜角速度計測値θbdot_y_sに一致するものとされる。また、仮想車輪６２_yの移動速度Ｖw_y（Ｙ軸方向の並進移動速度）は、車両１の車輪体５のＹ軸方向の移動速度に一致するものとされる。
なお、仮想車輪６２_x，６２_yは、それぞれ、あらかじめ定められた所定値Ｒw_x，Ｒw_yの半径を有するものとされる。
In this inverted pendulum model, the motion of the mass point 60_y corresponds to the motion of the vehicle system center-of-gravity point viewed from the X-axis direction. Further, the inclination angle θbe_y of the rod 64_y with respect to the vertical direction coincides with the deviation θbe_y_s (= θb_y_s−θb_y_obj) between the measured base body tilt angle value θb_y_s and the base body tilt angle target value θb_y_obj in the direction around the X axis. In addition, the change speed (= dθbe_y / dt) of the inclination angle θbe_y of the rod 64_y coincides with the measured base body inclination angular velocity θbdot_y_s in the direction around the X axis. Further, the moving speed Vw_y (translational moving speed in the Y-axis direction) of the virtual wheel 62_y is set to coincide with the moving speed in the Y-axis direction of the
The virtual wheels 62_x and 62_y are assumed to have predetermined radii of predetermined values Rw_x and Rw_y, respectively.
また、仮想車輪６２_x，６２_yのそれぞれの回転角速度ωw_x，ωw_yと、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度ω_R，ω_L（より正確には、回転部材２７Ｒ，２７Ｌのそれぞれの回転角速度ω_R，ω_L）との間には、下記（３）式、（４）式の関係が成立するものとされる。
ωw_x＝（ω_Ｒ＋ω_L）／２ ・・・（３）
ωw_y＝Ｃ・（ω_Ｒ−ω_L）／２ ・・・（４）
なお、上記（４）式における“Ｃ”は、前記フリーローラ２９Ｒ，２９Ｌと車輪体５との間の機構的な関係や滑りに依存する所定値の係数である。
Further, the rotational angular velocities ωw_x and ωw_y of the virtual wheels 62_x and 62_y and the rotational angular velocities ω_R and ω_L of the
ωw_x = (ω_R + ω_L) / 2 (3)
ωw_y = C · (ω_R−ω_L) / 2 (4)
Note that “C” in the above equation (4) is a coefficient of a predetermined value depending on the mechanical relationship between the
ここで、図９に示す倒立振子モデルの動力学は、下記（５）式、（６）式により表現される。なお、下記（５）式は、Ｙ軸方向から見た倒立振子モデルの動力学を表現する式であり、下記（６）式は、Ｘ軸方向から見た倒立振子モデルの動力学を表現する式である。
ｄ2θbe_x／dt2＝α_x・θbe_x＋β_x・ωwdot_x ・・・（５）
ｄ2θbe_y／dt2＝α_y・θbe_y＋β_y・ωwdot_y ・・・（６）
上記（５）式におけるωwdot_xは、仮想車輪６２_xの回転角加速度（回転角速度ωw_xの１階微分値）、α_xは、質点６０_xの質量や高さｈ_xに依存する係数、β_xは、仮想車輪６２_xのイナーシャ（慣性モーメント）や半径Ｒw_xに依存する係数である。上記（６）式におけるωwdot_y、α_y、β_yについても上記と同様である。
Here, the dynamics of the inverted pendulum model shown in FIG. 9 is expressed by the following equations (5) and (6). The following equation (5) expresses the dynamics of the inverted pendulum model viewed from the Y-axis direction, and the following equation (6) expresses the dynamics of the inverted pendulum model viewed from the X-axis direction. It is a formula.
d 2 θbe_x / dt 2 = α_x · θbe_x + β_x · ωwdot_x (5)
d 2 θbe_y / dt 2 = α_y · θbe_y + β_y · ωwdot_y (6)
In the above equation (5), ωwdot_x is the rotational angular acceleration of the virtual wheel 62_x (first-order differential value of the rotational angular velocity ωw_x), α_x is a coefficient depending on the mass of the mass 60_x and the height h_x, and β_x is the virtual wheel 62_x This coefficient depends on inertia (moment of inertia) and radius Rw_x. The same applies to ωwdot_y, α_y, and β_y in the above equation (6).
これら（５）式、（６）式から判るように、倒立振子の質点６０_x，６０_yの運動（ひいては車両系重心点の運動）は、それぞれ、仮想車輪６２_xの回転角加速度ωwdot_x、仮想車輪６２_yの回転角加速度ωwdot_yに依存して規定される。
そこで、本実施形態では、Ｙ軸方向から見た車両系重心点の運動を制御するための操作量（制御入力）として、仮想車輪６２_xの回転角加速度ωwdot_xを用いると共に、Ｘ軸方向から見た車両系重心点の運動を制御するための操作量（制御入力）として、仮想車輪６２_yの回転角加速度ωwdot_yを用いる。
As can be seen from these equations (5) and (6), the motions of the mass points 60_x and 60_y of the inverted pendulum (and hence the motion of the vehicle system center of gravity) are respectively the rotational angular acceleration ωwdot_x of the virtual wheel 62_x and the virtual wheel 62_y. It is defined depending on the rotational angular acceleration ωwdot_y.
Therefore, in the present embodiment, the rotational angular acceleration ωwdot_x of the virtual wheel 62_x is used as an operation amount (control input) for controlling the motion of the vehicle system center of gravity point viewed from the Y-axis direction, and viewed from the X-axis direction. The rotational angular acceleration ωwdot_y of the virtual wheel 62_y is used as an operation amount (control input) for controlling the motion of the vehicle system center of gravity.
そして、ステップＳ８の車両制御演算処理を概略的に説明すると、制御ユニット５０は、Ｘ軸方向で見た質点６０_xの運動と、Ｙ軸方向で見た質点６０_yの運動とが、車両系重心点の所望の運動に対応する運動となるように、操作量としての上記回転角加速度ωwdot_x，ωwdot_yの指令値（目標値）である仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmd，ωwdot_y_cmdを決定する。さらに、制御ユニット５０は、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmd，ωwdot_y_cmdをそれぞれ積分してなる値を、仮想車輪６２_x，６２_yのそれぞれの回転角速度ωw_x，ωw_yの指令値（目標値）である仮想車輪回転角速度指令ωw_x_cmd，ωw_y_cmdとして決定する。
The vehicle control calculation process in step S8 will be schematically described. The
そして、制御ユニット５０は、仮想車輪回転角速度指令ωw_x_cmdに対応する仮想車輪６２_xの移動速度（＝Ｒw_x・ωw_x_cmd）と、仮想車輪回転角速度指令ωw_y_cmdに対応する仮想車輪６２_yの移動速度（＝Ｒw_y・ωw_y_cmd）とを、それぞれ、車両１の車輪体５のＸ軸方向の目標移動速度、Ｙ軸方向の目標移動速度とし、それらの目標移動速度を実現するように、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの速度指令ω_R_cmd，ω_L_cmdを決定する。
なお、本実施形態では、操作量（制御入力）としての上記仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmd，ωwdot_y_cmdは、それぞれ、後述する（９）式，（１０）式に示す如く、３個の操作量成分を加え合わせることによって決定される。
Then, the
In the present embodiment, the virtual wheel rotation angular acceleration commands ωwdot_x_cmd and ωwdot_y_cmd as the operation amount (control input) are each made up of three operation amount components as shown in equations (9) and (10) described later. Determined by adding together.
制御ユニット５０は、上記の如き、ステップＳ８の車両制御演算処理を実行するための機能として、図１０のブロック図で示す機能を備えている。
すなわち、制御ユニット５０は、基体傾斜角度計測値θb_xy_sと基体傾斜角度目標値θb_xy_objとの偏差である基体傾斜角度偏差計測値θbe_xy_sを算出する偏差演算部７０と、前記車両系重心点の移動速度である重心速度Ｖb_xyの観測値としての重心速度推定値Ｖb_xy_sを算出する重心速度算出部７２と、利用者等による車両１の操縦操作（車両１に推進力を付加する操作）によって要求されていると推定される上記重心速度Ｖb_xyの要求値としての要求重心速度Ｖb_xy_aimを生成する要求重心速度生成部７４と、これらの重心速度推定値Ｖb_xy_s及び要求重心速度Ｖb_xy_aimから、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの回転角速度の許容範囲に応じた制限を加味して、重心速度Ｖb_xyの目標値としての制御用目標重心速度Ｖb_xy_mdfdを決定する重心速度制限部７６と、後述する（９）式，（１０）式のゲイン係数の値を調整するためのゲイン調整パラメータＫr_xyを決定するゲイン調整部７８とを備える。
As described above, the
That is, the
制御ユニット５０は、さらに、前記仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdを算出する姿勢制御演算部８０と、この仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdを、右側の電動モータ３１Ｒの速度指令ω_R_cmd（回転角速度の指令値）と左側の電動モータ３１Ｌの速度指令ω_L_cmd（回転角速度の指令値）との組に変換するモータ指令演算部８２とを備える。
なお、図１０中の参照符号８４を付したものは、姿勢制御演算部８０が制御処理周期毎に算出する仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdを入力する遅延要素を示している。該遅延要素８４は、各制御処理周期において、仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdの前回値ωw_xy_cmd_pを出力する。
Further, the
The
前記ステップＳ８の車両制御演算処理では、これらの上記の各処理部の処理が以下に説明するように実行される。
すなわち、制御ユニット５０は、まず、偏差演算部７０の処理と重心速度算出部７２の処理を実行する。
偏差演算部７０には、前記ステップＳ２で算出された基体傾斜角度計測値θb_xy_s（θb_x_s及びθb_y_s）と、前記ステップＳ５で設定された目標値θb_xy_obj（θb_x_obj及びθb_y_obj）とが入力される。そして、偏差演算部７０は、θb_x_sからθb_x_objを減算することによって、Ｙ軸周り方向の基体傾斜角度偏差計測値θbe_x_s（＝θb_x_s−θb_x_obj）を算出すると共に、θb_y_sからθb_y_objを減算することによって、Ｘ軸周り方向の基体傾斜角度偏差計測値θbe_y_s（＝θb_y_s−θb_y_obj）を算出する。
ここで、搭乗モード時では、目標値θb_xy_objは０度に設定されており、結局、基体傾斜角度偏差計測値θbe_xy_s＝基体傾斜角度計測値θb_xy_sとなる。
In the vehicle control calculation process in step S8, the processes of the above-described respective processing units are executed as described below.
That is, the
The
Here, in the boarding mode, the target value θb_xy_obj is set to 0 degrees, and eventually, the base body tilt angle deviation measurement value θbe_xy_s = base body tilt angle measurement value θb_xy_s.
前記重心速度算出部７２には、前記ステップＳ２で算出された基体傾斜角速度計測値θbdot_xy_s（θbdot_x_s及びθbdot_y_s）の今回値が入力されると共に、仮想車輪速度指令ωw_xy_cmdの前回値ωw_xy_cmd_p（ωw_x_cmd_p及びωw_y_cmd_p）が遅延要素８４から入力される。そして、重心速度算出部７２は、これらの入力値から、前記倒立振子モデルに基づく所定の演算式によって、重心速度推定値Ｖb_xy_s（Ｖb_x_s及びＶb_y_s）を算出する。
具体的には、重心速度算出部７２は、下記（７）式、（８）式により、Ｖb_x_s及びＶb_y_sをそれぞれ算出する。
Ｖb_x_s＝Ｒw_x・ωw_x_cmd_p＋ｈ_x・θbdot_x_s ・・・（７）
Ｖb_y_s＝Ｒw_y・ωw_y_cmd_p＋ｈ_y・θbdot_y_s ・・・（８）
The center-of-gravity
Specifically, the center-of-gravity
Vb_x_s = Rw_x · ωw_x_cmd_p + h_x · θbdot_x_s (7)
Vb_y_s = Rw_y · ωw_y_cmd_p + h_y · θbdot_y_s (8)
これら（７）式、（８）式において、Ｒw_x，Ｒw_yは、前記したように、仮想車輪６２_x，６２_yのそれぞれの半径であり、これらの値は、あらかじめ設定された所定値である。また、ｈ_x，ｈ_yは、それぞれ倒立振子モデルの質点６０_x，６０_yの高さである。この場合、本実施形態では、車両系重心点の高さは、ほぼ一定に維持されるものとされる。そこで、ｈ_x，ｈ_yの値としては、それぞれ、あらかじめ設定された所定値が用いられる。補足すると、高さｈ_x，ｈ_yは、前記ステップＳ６において値を設定する定数パラメータに含まれるものである。 In these equations (7) and (8), Rw_x and Rw_y are the radii of the virtual wheels 62_x and 62_y, respectively, and these values are predetermined values set in advance. H_x and h_y are the heights of the mass points 60_x and 60_y of the inverted pendulum model, respectively. In this case, in the present embodiment, the height of the vehicle system center-of-gravity point is maintained substantially constant. Therefore, predetermined values set in advance are used as the values of h_x and h_y, respectively. Supplementally, the heights h_x and h_y are included in the constant parameters whose values are set in step S6.
上記（７）式の右辺の第１項は、仮想車輪６２_xの速度指令の前回値ωw_x_cmd_pに対応する該仮想車輪６２_xのＸ軸方向の移動速度であり、この移動速度は、車輪体５のＸ軸方向の実際の移動速度の現在値に相当するものである。また、（７）式の右辺の第２項は、基体９がＹ軸周り方向にθbdot_x_sの傾斜角速度で傾動することに起因して生じる車両系重心点のＸ軸方向の移動速度（車輪体５に対する相対的な移動速度）の現在値に相当するものである。これらのことは、（８）式についても同様である。
The first term on the right side of the above equation (7) is the moving speed in the X-axis direction of the virtual wheel 62_x corresponding to the previous value ωw_x_cmd_p of the speed command of the virtual wheel 62_x. This corresponds to the current value of the actual movement speed in the axial direction. Further, the second term on the right side of the equation (7) is the moving speed in the X-axis direction of the vehicle system center-of-gravity point caused by the
なお、前記ロータリーエンコーダ５６Ｒ，５６Ｌの出力を基に計測される電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度の計測値（今回値）の組を、仮想車輪６２_x，６２_yのそれぞれの回転角速度の組に変換し、それらの回転角速度を、式０５ｘ、０５ｙのωw_x_cmd_p、ωw_y_cmd_pの代わりに用いてもよい。ただし、回転角速度の計測値に含まれるノイズの影響を排除する上では、目標値であるωw_x_cmd_p、ωw_y_cmd_pを使用することが有利である。
Note that a set of measured values (current values) of the respective rotational angular velocities of the
次に、制御ユニット５０は、要求重心速度生成部７４の処理とゲイン調整部７８の処理とを実行する。この場合、要求重心速度生成部７４及びゲイン調整部７８には、それぞれ、重心速度算出部７２で上記の如く算出された重心速度推定値Ｖb_xy_s（Ｖb_x_s及びＶb_y_s）が入力される。
そして、要求重心速度生成部７４は、詳細は後述するが、車両１の動作モードが搭乗モードである場合に、入力された重心速度推定値Ｖb_xy_s（Ｖb_x_s及びＶb_y_s）を基に、要求重心速度Ｖ_xy_aim（Ｖ_x_aim，Ｖ_y_aim）を決定する。なお、本実施形態では、車両１の動作モードが補助モードである場合には、要求重心速度生成部７４は、要求重心速度Ｖ_x_aim及びＶ_y_aimをいずれも“０”とする。
Next, the
The required center-of-gravity
また、ゲイン調整部７８は、入力された重心速度推定値Ｖb_xy_s（Ｖb_x_s及びＶb_y_s）を基に、前記ゲイン調整パラメータＫr_xy（Ｋr_x及びＫr_y）を決定する。
このゲイン調整部７８の処理を図１１及び図１２を参照して以下に説明する。
図１１に示すように、ゲイン調整部７８は、入力された重心速度推定値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sをリミット処理部８６に入力する。このリミット処理部８６では、重心速度推定値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sに、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度の許容範囲に応じた制限を適宜、加えることによって、出力値Ｖw_x_lim1，Ｖw_y_lim1を生成する。出力値Ｖw_x_lim1は、前記仮想車輪６２_xのＸ軸方向の移動速度Ｖw_xの制限後の値、出力値Ｖw_y_lim1は、前記仮想車輪６２_yのＹ軸方向の移動速度Ｖw_yの制限後の値としての意味を持つ。
Further, the
The processing of the
As shown in FIG. 11, the
このリミット処理部８６の処理を、図１２を参照してさらに詳細に説明する。なお、図１２中の括弧付きの参照符号は、後述する重心速度制限部７６のリミット処理部１０４の処理を示すものであり、リミット処理部８６の処理に関する説明では無視してよい。
リミット処理部８６は、まず、重心速度推定値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sをそれぞれ処理部８６a_x，８６a_yに入力する。処理部８６a_xは、Ｖb_x_sを仮想車輪６２_xの半径Ｒw_xで除算することによって、仮想車輪６２_xのＸ軸方向の移動速度をＶb_x_sに一致させたと仮定した場合の該仮想車輪６２_xの回転角速度ωw_x_sを算出する。同様に、処理部８６a_yは、仮想車輪６２_yのＹ軸方向の移動速度をＶb_y_sに一致させたと仮定した場合の該仮想車輪６２_yの回転角速度ωw_y_s（＝Ｖb_y_s／Ｒw_y）を算出する。
The processing of the
First, the
次いで、リミット処理部８６は、ωw_x_s，ωw_y_sの組を、ＸＹ−ＲＬ変換部８６ｂにより、電動モータ３１Ｒの回転角速度ω_R_sと電動モータ３１Ｌの回転角速度ω_L_sとの組に変換する。
この変換は、本実施形態では、上記（２）式，（３）式のωw_x，ωw_y，ω_R，ω_Lをそれぞれ、ωw_x_s，ωw_y_s，ω_R_s，ω_L_sに置き換えて得られる連立方程式を、ω_R_s，ω_L_sを未知数として解くことにより行なわれる。
Next, the
In this embodiment, in this embodiment, the simultaneous equations obtained by replacing ωw_x, ωw_y, ω_R, and ω_L in the above equations (2) and (3) with ωw_x_s, ωw_y_s, ω_R_s, and ω_L_s are respectively expressed as ω_R_s and ω_L_s. This is done by solving as an unknown.
次いで、リミット処理部８６は、ＸＹ−ＲＬ変換部８６ｂの出力値ω_R_s，ω_L_sをそれぞれ、リミッタ８６c_R，８６c_Lに入力する。このとき、リミッタ８６c_Rは、ω_R_sが、あらかじめ設定された所定値の上限値（＞０）と下限値（＜０）とを有する右モータ用許容範囲内に収まっている場合には、ω_R_sをそのまま出力値ω_R_lim1として出力する。また、リミッタ８６c_Rは、ω_R_sが、右モータ用許容範囲から逸脱している場合には、該右モータ用許容範囲の上限値と下限値とのうちのω_R_sに近い方の境界値を出力値ω_R_lim1として出力する。これにより、リミッタ８６c_Rの出力値ω_R_lim1は、右モータ用許容範囲内の値に制限される。
Next, the
同様に、リミッタ８６c_Lは、ω_L_sが、あらかじめ設定された所定値の上限値（＞０）と下限値（＜０）とを有する左モータ用許容範囲内に収まっている場合には、ω_L_sをそのまま出力値ω_L_lim1として出力する。また、リミッタ８６c_Lは、ω_L_sが、左モータ用許容範囲から逸脱している場合には、該左モータ用許容範囲の上限値と下限値とのうちのω_L_sに近い方の境界値を出力値ω_L_lim1として出力する。これにより、リミッタ８６c_Lの出力値ω_L_lim1は、左モータ用許容範囲内の値に制限される。
上記右モータ用許容範囲は右側の電動モータ３１Ｒの回転角速度（絶対値）が高くなり過ぎないようにし、ひいては、電動モータ３１Ｒが出力可能なトルクの最大値が低下するのを防止するために設定された許容範囲である。このことは、左モータ用許容範囲についても同様である。
Similarly, when the limiter 86c_L is within the allowable range for the left motor having a predetermined upper limit value (> 0) and lower limit value (<0), the limiter 86c_L keeps ω_L_s as it is. Output as output value ω_L_lim1. Further, when ω_L_s deviates from the left motor allowable range, the limiter 86c_L outputs the boundary value closer to ω_L_s between the upper limit value and the lower limit value of the left motor allowable range as the output value ω_L_lim1. Output as. As a result, the output value ω_L_lim1 of the limiter 86c_L is limited to a value within the left motor allowable range.
The allowable range for the right motor is set so that the rotational angular velocity (absolute value) of the right
次いで、リミット処理部８６は、リミッタ８６c_R，８６c_Lのそれぞれの出力値ω_R_lim1，ω_L_lim1の組を、ＲＬ−ＸＹ変換部８６ｄにより、仮想車輪６２_x，６２_yのそれぞれの回転角速度ωw_x_lim1，ωw_y_lim1の組に変換する。
この変換は、前記ＸＹ−ＲＬ変換部８６ｂの変換処理の逆変換の処理である。この処理は、前記（２）式、（３）式のωw_x，ωw_y，ω_R，ω_Lをそれぞれ、ωw_x_lim1，ωw_y_lim1，ω_R_lim1，ω_L_lim1に置き換えて得られる連立方程式を、ωw_x_lim1，ωw_y_lim1を未知数として解くことにより行なわれる。
Next, the
This conversion is a reverse conversion process of the conversion process of the XY-
次いで、リミット処理部８６は、ＲＬ−ＸＹ変換部８６ｄの出力値ωw_x_lim1，ωw_y_lim1をそれぞれ処理部８６e_x，８６e_yに入力する。処理部８６e_xは、ωw_x_lim1に仮想車輪６２_xの半径Ｒw_xを乗じることによって、ωw_x_lim1を仮想車輪６２_xの移動速度Ｖw_x_lim1に変換する。同様に、処理部８６e_yは、ωw_y_lim1を仮想車輪６２_yの移動速度Ｖw_y_lim1（＝ωw_y_lim1・Ｒw_y）に変換する。
Next, the
以上のリミット処理部８６の処理によって、仮想車輪６２_xのＸ軸方向の移動速度Ｖw_xと、仮想車輪６２_yのＹ軸方向の移動速度Ｖw_yとをそれぞれ重心速度推定値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sに一致させたと仮定した場合（換言すれば、車輪体５のＸ軸方向の移動速度とＹ軸方向の移動速度とをそれぞれ、Ｖb_x_s，Ｖb_y_sに一致させたと仮定した場合）に、それらの移動速度を実現するために必要な電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度ω_R_s，ω_L_sが、両方とも、許容範囲内に収まっている場合には、Ｖb_x_s，Ｖb_y_sにそれぞれ一致する出力値Ｖw_x_lim1，Ｖw_y_lim1の組がリミット処理部８６から出力される。
It is assumed that the movement speed Vw_x of the virtual wheel 62_x in the X-axis direction and the movement speed Vw_y of the virtual wheel 62_y in the Y-axis direction are made to coincide with the center-of-gravity speed estimated values Vb_x_s and Vb_y_s, respectively, by the above processing of the
一方、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度ω_R_s，ω_L_sの両方又は一方が許容範囲から逸脱している場合には、その両方又は一方の回転角速度が強制的に許容範囲内に制限された上で、その制限後の電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度ω_R_lim1，ω_L_lim1の組に対応する、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の移動速度Ｖw_x_lim1，Ｖw_y_lim1の組がリミット処理部８６から出力される。
従って、リミット処理部８６は、その出力値Ｖw_x_lim1，Ｖw_y_lim1の組に対応する電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度が許容範囲を逸脱しないことを必須の必要条件として、その必要条件下で可能な限り、出力値Ｖw_x_lim1，Ｖw_y_lim1をそれぞれＶb_x_s，Ｖb_y_sに一致させるように、出力値Ｖw_x_lim1，Ｖw_y_lim1の組を生成する。
On the other hand, when both or one of the rotational angular velocities ω_R_s and ω_L_s of the
Therefore, the
図１１の説明に戻って、ゲイン調整部７８は、次に、演算部８８_x，８８_yの処理を実行する。演算部８８_xには、Ｘ軸方向の重心速度推定値Ｖb_x_sと、リミット処理部８６の出力値Ｖw_x_lim1とが入力される。そして、演算部８８_xは、Ｖw_x_lim1からＶb_x_sを減算してなる値Ｖover_xを算出して出力する。また、演算部８８_yには、Ｙ軸方向の重心速度推定値Ｖb_y_sと、リミット処理部８６の出力値Ｖw_y_lim1とが入力される。そして、演算部８８_yは、Ｖw_y_lim1からＶb_y_sを減算してなる値Ｖover_yを算出して出力する。
Returning to the description of FIG. 11, the
この場合、リミット処理部８６での出力値Ｖw_x_lim1，Ｖw_y_lim1の強制的な制限が行なわれなかった場合には、Ｖw_x_lim1＝Ｖb_x_s、Ｖw_y_lim1＝Ｖb_y_sとなるので、演算部８８_x，８８_yのそれぞれの出力値Ｖover_x，Ｖover_yはいずれも“０”となる。
一方、リミット処理部８６の出力値Ｖw_x_lim1，Ｖw_y_lim1が、入力値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sに対して強制的な制限を施して生成された場合には、Ｖw_x_lim1のＶb_x_sからの修正量（＝Ｖw_x_lim1−Ｖb_x_s）と、Ｖw_y_lim1のＶb_y_sからの修正量（＝Ｖw_y_lim1−Ｖb_y_s）とがそれぞれ、演算部８８_x，８８_yから出力される。
In this case, if the output values Vw_x_lim1 and Vw_y_lim1 are not forcibly limited by the
On the other hand, when the output values Vw_x_lim1 and Vw_y_lim1 of the
次いで、ゲイン調整部７８は、演算部８８_xの出力値Ｖover_xを処理部９０_x，９２_xに順番に通すことによって、ゲイン調整パラメータＫr_xを決定する。また、ゲイン調整部７８は、演算部８８_yの出力値Ｖover_yを処理部９０_y，９２_yに順番に通すことによって、ゲイン調整パラメータＫr_yを決定する。なお、ゲイン調整パラメータＫr_x，Ｋr_yは、いずれも“０”から“１”までの範囲内の値である。
上記処理部９０_xは、入力されるＶover_xの絶対値を算出して出力する。また、処理部９２_xは、その出力値Ｋr_xが入力値｜Ｖover_x｜に対して単調に増加し、且つ、飽和特性を有するようにＫr_xを生成する。該飽和特性は、入力値がある程度大きくなると、入力値の増加に対する出力値の変化量が“０”になるか、もしくは、“０”に近づく特性である。
Next, the
The processing unit 90_x calculates and outputs the absolute value of the input Vover_x. Further, the processing unit 92_x generates Kr_x so that the output value Kr_x monotonously increases with respect to the input value | Vover_x | and has a saturation characteristic. The saturation characteristic is a characteristic in which the change amount of the output value with respect to the increase of the input value becomes “0” or approaches “0” when the input value increases to some extent.
この場合、本実施形態では、処理部９２_xは、入力値｜Ｖover_x｜があらかじめ設定された所定値以下である場合には、該入力値｜Ｖover_x｜に所定値の比例係数を乗じてなる値をＫr_xとして出力する。また、処理部９２_xは、入力値｜Ｖover_x｜が所定値よりも大きい場合には、“１”をＫr_xとして出力する。なお、上記比例係数は、｜Ｖover_x｜が所定値に一致するときに、｜Ｖover_x｜と比例係数との積が“１”になるように設定されている。
また、処理部９０_y，９２_yの処理は、それぞれ上記した処理部９０_x，９２_xの処理と同様である。
In this case, in this embodiment, when the input value | Vover_x | is equal to or less than a predetermined value set in advance, the processing unit 92_x sets a value obtained by multiplying the input value | Vover_x | by a proportional coefficient of the predetermined value. Output as Kr_x. In addition, when the input value | Vover_x | is larger than a predetermined value, the processing unit 92_x outputs “1” as Kr_x. The proportional coefficient is set so that the product of | Vover_x | and the proportional coefficient is “1” when | Vover_x | matches a predetermined value.
The processing of the processing units 90_y and 92_y is the same as the processing of the above-described processing units 90_x and 92_x, respectively.
以上説明したゲイン調整部７８の処理によって、リミット処理部８６での出力値Ｖw_x_lim1，Ｖw_y_lim1の強制的な制限が行なわれなかった場合、すなわち、車輪体５のＸ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれの移動速度Ｖw_x，Ｖw_yを、それぞれ、重心速度推定値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sに一致させるように電動モータ３１Ｒ，３１Ｌを動作させても、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度が許容範囲内に収まるような場合には、ゲイン調整パラメータＫr_x，Ｋr_yはいずれも“０”に決定される。
When the output values Vw_x_lim1 and Vw_y_lim1 are not forcibly limited by the
一方、リミット処理部８６の出力値Ｖw_x_lim1，Ｖw_y_lim1が、入力値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sに対して強制的な制限を施して生成された場合、すなわち、車輪体５のＸ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれの移動速度Ｖw_x，Ｖw_yを、それぞれ、重心速度推定値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sに一致させるように電動モータ３１Ｒ，３１Ｌを動作させると、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのいずれかの回転角速度が許容範囲を逸脱してしまう場合（いずれかの回転角速度の絶対値が高くなり過ぎる場合）には、前記修正量Ｖover_x，Ｖover_yのそれぞれの絶対値に応じて、ゲイン調整パラメータＫr_x，Ｋr_yの値がそれぞれ決定される。この場合、Ｋr_xは、“１”を上限値して、修正量Ｖx_overの絶対値が大きいほど、大きな値になるように決定される。このことは、Ｋr_yについても同様である。
On the other hand, when the output values Vw_x_lim1 and Vw_y_lim1 of the
図１０の説明に戻って、制御ユニット５０は、重心速度算出部７２及び要求重心速度生成部７４の処理を前記した如く実行した後、次に、重心速度制限部７６の処理を実行する。
この重心速度制限部７６には、重心速度算出部７２で算出された重心速度推定値Ｖb_xy_s（Ｖb_x_s及びＶb_y_s）と、要求重心速度生成部７４で決定された要求重心速度Ｖb_xy_aim（Ｖb_x_aim及びＶb_y_aim）とが入力される。そして、重心速度制限部７６は、これらの入力値を使用して、図１３のブロック図で示す処理を実行することによって、制御用目標重心速度Ｖb_xy_mdfd（Ｖb_x_mdfd及びＶb_y_mdfd）を決定する。
Returning to the description of FIG. 10, the
The center-of-
具体的には、重心速度制限部７６は、まず、定常偏差算出部９４_x，９４_yの処理を実行する。
この場合、定常偏差算出部９４_xには、Ｘ軸方向の重心速度推定値Ｖb_x_sが入力されると共に、Ｘ軸方向の制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdの前回値Ｖb_x_mdfd_pが遅延要素９６_xを介して入力される。そして、定常偏差算出部９４_xは、まず、入力されるＶb_x_sが比例・微分補償要素（ＰＤ補償要素）９４a_xに入力する。この比例・微分補償要素９４_xは、その伝達関数が１＋Ｋd・Ｓにより表される補償要素であり、入力されるＶb_x_sと、その微分値（時間的変化率）に所定値の係数Ｋdを乗じてなる値とを加算し、その加算結果の値を出力する。
Specifically, the center-of-gravity
In this case, the steady-state deviation calculating unit 94_x receives the estimated center-of-gravity velocity value Vb_x_s in the X-axis direction and the previous value Vb_x_mdfd_p of the control target center-of-gravity velocity Vb_x_mdfd in the X-axis direction via the delay element 96_x. . The steady deviation calculating unit 94_x first inputs the input Vb_x_s to the proportional / differential compensation element (PD compensation element) 94a_x. The proportional / differential compensation element 94_x is a compensation element whose transfer function is represented by 1 + Kd · S, and is obtained by multiplying the input Vb_x_s and its differential value (time change rate) by a predetermined coefficient Kd. Add the value and output the result of the addition.
次いで、定常偏差算出部９４_xは、入力されるＶb_x_mdfd_pを、比例・微分補償要素９４_xの出力値から減算してなる値を演算部９４b_xにより算出した後、この演算部９４b_xの出力値を、位相補償機能を有するローパスフィルタ９４c_xに入力する。このローパスフィルタ９４c_xは、伝達関数が（１＋Ｔ2・Ｓ）／（１＋Ｔ1・Ｓ）により表されるフィルタである。そして、定常偏差算出部９４_xは、このローパスフィルタ９４c_xの出力値Ｖb_x_prdを出力する。 Next, the steady deviation calculating unit 94_x calculates a value obtained by subtracting the input Vb_x_mdfd_p from the output value of the proportional / differential compensation element 94_x by the calculating unit 94b_x, and then outputs the output value of the calculating unit 94b_x to the phase compensation It inputs into the low-pass filter 94c_x which has a function. The low-pass filter 94c_x is a filter whose transfer function is represented by (1 + T2 · S) / (1 + T1 · S). The steady deviation calculating unit 94_x outputs the output value Vb_x_prd of the low-pass filter 94c_x.
また、定常偏差算出部９４_yには、Ｙ軸方向の重心速度推定値Ｖb_y_sが入力されると共に、Ｙ軸方向の制御用目標重心速度Ｖb_y_mdfdの前回値Ｖb_y_mdfd_pが遅延要素９６_yを介して入力される。
そして、定常偏差算出部９４_yは、上記した定常偏差算出部９４_xと同様に、比例・微分補償要素９４a_y、演算部９４b_y及びローパスフィルタ９４c_yの処理を順次実行し、ローパスフィルタ９４c_yの出力値Ｖb_y_prdを出力する。
In addition, the steady-state deviation calculating unit 94_y receives the Y-axis centroid speed estimated value Vb_y_s and the previous value Vb_y_mdfd_p of the Y-axis control target centroid speed Vb_y_mdfd via the delay element 96_y.
Then, similarly to the above-described steady deviation calculation unit 94_x, the steady deviation calculation unit 94_y sequentially executes the processing of the proportional / differential compensation element 94a_y, the calculation unit 94b_y, and the low-pass filter 94c_y, and outputs the output value Vb_y_prd of the low-pass filter 94c_y. To do.
ここで、定常偏差算出部９４_xの出力値Ｖb_x_prdは、Ｙ軸方向から見た車両系重心点の現在の運動状態（換言すればＹ軸方向から見た倒立振子モデルの質点６０_xの運動状態）から推測される、将来のＸ軸方向の重心速度推定値の収束予測値の制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdに対する定常偏差としての意味を持つものである。同様に、定常偏差算出部９４_y出力値Ｖb_y_prdは、Ｘ軸方向から見た車両系重心点の現在の運動状態（換言すればＸ軸方向から見た倒立振子モデルの質点６０_yの運動状態）から推測される、将来のＹ軸方向の重心速度推定値の収束予測値の制御用目標重心速度Ｖb_y_mdfdに対する定常偏差としての意味を持つものである。以降、定常偏差算出部９４_x，９４_yのそれぞれの出力値Ｖb_x_prd，Ｖb_y_prdを重心速度定常偏差予測値という。 Here, the output value Vb_x_prd of the steady deviation calculating unit 94_x is based on the current motion state of the vehicle system center of gravity as viewed from the Y-axis direction (in other words, the motion state of the mass point 60_x of the inverted pendulum model as viewed from the Y-axis direction). It has a meaning as a steady deviation with respect to the control target center-of-gravity speed Vb_x_mdfd of the estimated predicted center-of-gravity speed estimated value in the X-axis direction. Similarly, the steady deviation calculating unit 94_y output value Vb_y_prd is estimated from the current motion state of the vehicle system center of gravity as viewed from the X-axis direction (in other words, the motion state of the mass point 60_y of the inverted pendulum model as viewed from the X-axis direction). The convergence predicted value of the estimated center-of-gravity speed value in the future Y-axis direction has a meaning as a steady deviation with respect to the control target center-of-gravity speed Vb_y_mdfd. Hereinafter, the respective output values Vb_x_prd and Vb_y_prd of the steady deviation calculation units 94_x and 94_y are referred to as center-of-gravity velocity steady deviation prediction values.
重心速度制限部７６は、上記の如く定常偏差算出部９４_x，９４_yの処理を実行した後、定常偏差算出部９４_xの出力値Ｖb_x_prdに要求重心速度Ｖb_x_aimを加算する処理と、定常偏差算出部９４_yの出力値Ｖb_y_prdに要求重心速度Ｖb_y_aimを加算する処理とをそれぞれ、演算部９８_x，９８_yにより実行する。
従って、演算部９８_xの出力値Ｖb_x_tは、Ｘ軸方向の重心速度定常偏差予測値Ｖb_x_prdに、Ｘ軸方向の要求重心速度Ｖb_x_aimを付加した速度となる。同様に、演算部９８_yの出力値Ｖb_y_tは、Ｙ軸方向の重心速度定常偏差予測値Ｖb_y_prdに、Ｙ軸方向の要求重心速度Ｖb_y_aimを付加した速度となる。
The center-of-
Therefore, the output value Vb_x_t of the calculation unit 98_x is a speed obtained by adding the required center-of-gravity speed Vb_x_aim in the X-axis direction to the center-of-gravity speed steady deviation predicted value Vb_x_prd in the X-axis direction. Similarly, the output value Vb_y_t of the calculation unit 98_y is a speed obtained by adding the requested center-of-gravity speed Vb_y_aim in the Y-axis direction to the center-of-gravity speed steady-state deviation predicted value Vb_y_prd in the Y-axis direction.
なお、車両１の動作モードが補助モードである場合等、Ｘ軸方向の要求重心速度Ｖb_x_aimが“０”である場合には、Ｘ軸方向の重心速度定常偏差予測値Ｖb_x_prdがそのまま、演算部９８_xの出力値Ｖb_x_tとなる。同様に、Ｙ軸方向の要求重心速度Ｖb_y_aimが“０”である場合には、Ｙ軸方向の重心速度定常偏差予測値Ｖb_y_prdがそのまま、演算部９８_yの出力値Ｖb_y_tとなる。
When the required gravity center speed Vb_x_aim in the X-axis direction is “0”, such as when the operation mode of the
次いで、重心速度制限部７６は、演算部９８_x，９８_yのそれぞれの出力値Ｖb_x_t，Ｖb_y_tを、リミット処理部１００に入力する。このリミット処理部１００の処理は、前記したゲイン調整部７８のリミット処理部８６の処理と同じである。この場合、図１２に括弧付きに参照符号で示す如く、リミット処理部１００の各処理部の入力値及び出力値だけがリミット処理部８６と相違する。
Next, the center-of-gravity
具体的には、リミット処理部１００では、前記仮想車輪６２_x，６２_yのそれぞれの移動速度Ｖw_x，Ｖw_yを、Ｖb_x_t，Ｖb_y_tにそれぞれ一致させたと仮定した場合の各仮想車輪６２_x，６２_yの回転角速度ωw_x_t，ωw_y_tがそれぞれ処理部８６a_x，８６a_yにより算出される。そして、この回転角速度ωw_x_t，ωw_y_tの組が、ＸＹ−ＲＬ変換部８６ｂにより、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの回転角速度ω_R_t，ω_L_tの組に変換される。
Specifically, in the
さらに、これらの回転角速度ω_R_t，ω_L_tが、リミッタ８６c_R，８６c_Lによって、それぞれ、右モータ用許容範囲内の値と左モータ用許容範囲内の値とに制限される。そして、この制限処理後の値ω_R_lim2，ω_L_lim2が、ＲＬ−ＸＹ変換部８６ｄによって、仮想車輪６２_x，６２_yの回転角速度ωw_x_lim2，ωw_y_lim2に変換される。
次いで、この各回転角速度ωw_x_lim2，ωw_y_lim2に対応する各仮想車輪６２_x，６２_yの移動速度Ｖw_x_lim2，Ｖw_y_lim2がそれぞれ処理部８６e_x，８６e_yによって算出され、これらの移動速度Ｖw_x_lim2，Ｖw_y_lim2がリミット処理部１００から出力される。
Further, these rotational angular velocities ω_R_t and ω_L_t are limited by the limiters 86c_R and 86c_L to values within the allowable range for the right motor and values within the allowable range for the left motor, respectively. Then, the values ω_R_lim2 and ω_L_lim2 after the restriction process are converted into the rotational angular velocities ωw_x_lim2 and ωw_y_lim2 of the virtual wheels 62_x and 62_y by the RL-
Next, the moving speeds Vw_x_lim2 and Vw_y_lim2 of the virtual wheels 62_x and 62_y corresponding to the rotational angular velocities ωw_x_lim2 and ωw_y_lim2 are calculated by the processing units 86e_x and 86e_y, respectively, and the moving speeds Vw_x_lim2 and Vw_y_lim2 are output from the
以上のリミット処理部１００の処理によって、リミット処理部１００は、リミット処理部８６と同様に、その出力値Ｖw_x_lim2，Ｖw_y_lim2の組に対応する電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度が許容範囲を逸脱しないことを必須の必要条件として、その必要条件下で可能な限り、出力値Ｖw_x_lim2，Ｖw_y_lim2をそれぞれＶb_x_t，Ｖb_y_tに一致させるように、出力値Ｖw_x_lim2，Ｖw_y_lim2の組を生成する。
なお、リミット処理部１００における右モータ用及び左モータ用の各許容範囲は、リミット処理部８６における各許容範囲と同一である必要はなく、互いに異なる許容範囲に設定されていてもよい。
By the above processing of the
Note that the permissible ranges for the right motor and the left motor in the
図１３の説明に戻って、重心速度制限部７６は、次に、演算部１０２_x，１０２_yの処理を実行することによって、それぞれ制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfd，Ｖb_y_mdfdを算出する。この場合、演算部１０２_xは、リミット処理部１００の出力値Ｖw_x_lim2から、Ｘ軸方向の重心速度定常偏差予測値Ｖb_x_prdを減算してなる値をＸ軸方向の制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdとして算出する。同様に、演算部１０２_yは、リミット処理部１００の出力値Ｖw_y_lim2から、Ｙ軸方向の重心速度定常偏差予測値Ｖb_y_prdを減算してなる値をＹ軸方向の制御用目標重心速度Ｖb_y_mdfdとして算出する。
Returning to the description of FIG. 13, the center-of-gravity
以上のようにして決定される制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfd，Ｖb_y_mdfdは、リミット処理部１００での出力値Ｖw_x_lim2，Ｖw_y_lim2の強制的な制限が行なわれなかった場合、すなわち、車輪体５のＸ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれの移動速度を、それぞれ、演算部９８_xの出力値Ｖb_x_tと演算部９８_yの出力値Ｖb_y_tとに一致させるように電動モータ３１Ｒ，３１Ｌを動作させても、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度が許容範囲内に収まるような場合には、要求重心速度Ｖb_x_aim，Ｖb_y_aimがそれぞれ、そのまま、制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfd，Ｖb_y_mdfdとして決定される。
なお、この場合、Ｘ軸方向の要求重心速度Ｖb_x_aimが“０”であれば、Ｘ軸方向の制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdも“０”となり、Ｙ軸方向の要求重心速度Ｖb_y_aimが“０”であれば、Ｙ軸方向の制御用目標重心速度Ｖb_y_mdfdも“０”となる。
The control target center-of-gravity speeds Vb_x_mdfd and Vb_y_mdfd determined as described above are the cases where the output values Vw_x_lim2 and Vw_y_lim2 in the
In this case, if the required center-of-gravity speed Vb_x_aim in the X-axis direction is “0”, the control target center-of-gravity speed Vb_x_mdfd in the X-axis direction is also “0”, and the required center-of-gravity speed Vb_y_aim in the Y-axis direction is “0”. If there is, the control target center-of-gravity velocity Vb_y_mdfd in the Y-axis direction is also “0”.
一方、リミット処理部１００の出力値Ｖw_x_lim2，Ｖw_y_lim2が、入力値Ｖb_x_t，Ｖb_y_tに対して強制的な制限を施して生成された場合、すなわち、車輪体５のＸ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれの移動速度を、それぞれ、演算部９８_xの出力値Ｖb_x_tと演算部９８_yの出力値Ｖb_y_tとに一致させるように電動モータ３１Ｒ，３１Ｌを動作させると、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのいずれかの回転角速度が許容範囲を逸脱してしまう場合（いずれかの回転角速度の絶対値が高くなり過ぎる場合）には、Ｘ軸方向については、リミット処理部１００の出力値Ｖw_x_lim2の入力値Ｖb_x_tからの修正量（＝Ｖw_x_lim2−Ｖb_x_t）だけ、要求重心速度Ｖb_x_aimを補正してなる値（当該修正量をＶb_x_aimに加算した値）が、Ｘ軸方向の制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdとして決定される。
On the other hand, when the output values Vw_x_lim2 and Vw_y_lim2 of the
また、Ｙ軸方向については、リミット処理部１００の出力値Ｖw_y_lim2の入力値Ｖb_y_tからの修正量（＝Ｖw_y_lim2−Ｖb_y_t）だけ、要求重心速度Ｖb_y_aimを補正してなる値（当該修正量をＶb_y_aimに加算した値）が、Ｙ軸方向の制御用目標重心速度Ｖb_y_mdfdとして決定される。
この場合において、例えばＸ軸方向の速度に関し、要求重心速度Ｖb_x_aimが“０”でない場合には、制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdは、要求重心速度Ｖb_x_aimよりも“０”に近づくか、もしくは、要求重心速度Ｖb_x_aimと逆向きの速度となる。また、要求重心速度Ｖb_x_aimが“０”である場合には、制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdは、定常偏差算出部９４_xが出力するＸ軸方向の重心速度定常偏差予測値Ｖb_x_prdと逆向きの速度となる。これらのことは、Ｙ軸方向の速度に関しても同様である。
以上が、重心速度制限部７６の処理である。
For the Y-axis direction, a value obtained by correcting the requested center-of-gravity velocity Vb_y_aim by the correction amount (= Vw_y_lim2-Vb_y_t) from the input value Vb_y_t of the output value Vw_y_lim2 of the limit processing unit 100 (the correction amount is added to Vb_y_aim) Is determined as the control target center-of-gravity velocity Vb_y_mdfd in the Y-axis direction.
In this case, for example, regarding the speed in the X-axis direction, if the requested center-of-gravity speed Vb_x_aim is not “0”, the control target center-of-gravity speed Vb_x_mdfd is closer to “0” than the requested center-of-gravity speed Vb_x_aim or The speed is opposite to the speed Vb_x_aim. When the required center-of-gravity speed Vb_x_aim is “0”, the control target center-of-gravity speed Vb_x_mdfd is a speed opposite to the X-axis center of gravity speed steady deviation predicted value Vb_x_prd output by the steady deviation calculating unit 94_x. . The same applies to the velocity in the Y-axis direction.
The above is the process of the gravity center
図１０の説明に戻って、制御ユニット５０は、以上の如く偏差演算部７０、重心速度算出部７２、重心速度制限部７６、ゲイン調整部７８の処理を実行した後、次に、姿勢制御演算部８０の処理を実行する。
この姿勢制御演算部８０の処理を、以下に図１４を参照して説明する。なお、図１４において、括弧を付していない参照符号は、Ｘ軸方向に輪転する仮想車輪６２_xの回転角速度の目標値である前記仮想車輪回転角速度指令ωw_x_comを決定する処理に係わる参照符号であり、括弧付きの参照符合は、Ｙ軸方向に輪転する仮想車輪６２_yの回転角速度の目標値である前記仮想車輪回転角速度指令ωw_y_comを決定する処理に係わる参照符号である。
Returning to the description of FIG. 10, the
The processing of the attitude
姿勢制御演算部８０には、基体傾斜角度目標値θb_xy_obj（＝０）と、前記ステップＳ２で算出された基体傾斜角度計測値θb_xy_s（θb_x_s及びθb_y_s）と前記ステップＳ２で算出された基体傾斜角速度計測値θbdot_xy_sと、前記ステップＳ３で取得されたシート３に作用するＸ軸方向の荷重計測値（Ｘ軸荷重計測値）Ｆx1と、バイアス定数biasと、重心速度算出部７２で算出された重心速度推定値Ｖb_xy_sと、重心速度制限部７６で算出された目標重心速度Ｖb_xy_cmdと、ゲイン調整部７８で算出されたゲイン調整パラメータＫr_xyとが入力される。
そして、姿勢制御演算部８０は、まず、これらの入力値を用いて、下記（９）式，（１０）式により、仮想車輪回転角加速度指令ωdotw_xy_comを算出する。
ωwdot_x_cmd＝K1_x・θb_x_s＋K2_x・θbdot_x_s＋K3_x・(Ｖb_x_s−Ｖb_x_mdfd)
＋Ｗ１・Ｆx1／（１＋ＴＳ）＋bias ・・・（９）
ωwdot_y_cmd＝K1_y・θb_y_s＋K2_y・θbdot_y_s
＋K3_y・(Ｖb_y_s−Ｖb_y_mdfd) ・・・（１０）
The posture
Then, the attitude
ωwdot_x_cmd = K1_x ・ θb_x_s + K2_x ・ θbdot_x_s + K3_x ・ (Vb_x_s−Vb_x_mdfd)
+ W1 / Fx1 / (1 + TS) + bias (9)
ωwdot_y_cmd = K1_y ・ θb_y_s + K2_y ・ θbdot_y_s
+ K3_y · (Vb_y_s−Vb_y_mdfd) (10)
従って、本実施形態では、Ｙ軸方向から見た倒立振子モデルの質点６０_xの運動（ひいては、Ｙ軸方向から見た車両系重心点の運動）を制御するための操作量（制御入力）としての仮想車輪回転角加速度指令ωdotw_x_comと、Ｘ軸方向から見た倒立振子モデルの質点６０_yの運動（ひいては、Ｘ軸方向から見た車両系重心点の運動）を制御するための操作量（制御入力）としての仮想車輪回転角加速度指令ωdotw_y_comとは、それぞれ、３つの操作量成分（（９）式，（１０）式の右辺の３つの項）を加え合わせることによって決定される。 Therefore, in the present embodiment, as an operation amount (control input) for controlling the motion of the mass point 60_x of the inverted pendulum model viewed from the Y-axis direction (and hence the motion of the vehicle system center-of-gravity point viewed from the Y-axis direction). Virtual wheel rotation angular acceleration command ωdotw_x_com and the operation amount (control input) for controlling the motion of the mass point 60_y of the inverted pendulum model viewed from the X-axis direction (and hence the motion of the vehicle system center-of-gravity point viewed from the X-axis direction) The virtual wheel rotation angular acceleration command ωdotw_y_com is determined by adding three manipulated variable components (three terms on the right side of equations (9) and (10)).
この場合、（９）式における各操作量成分に係わるゲイン係数Ｋ1_x，Ｋ2_x，Ｋ3_xは、ゲイン調整パラメータＫr_xに応じて可変的に設定され、（１０）式における各操作量成分に係わるゲイン係数Ｋ1_y，Ｋ2_y，Ｋ3_yは、ゲイン調整パラメータＫr_yに応じて可変的に設定される。以降、（９）式におけるゲイン係数Ｋ1_x，Ｋ2_x，Ｋ3_xのそれぞれを第１ゲイン係数Ｋ1_x、第２ゲイン係数Ｋ2_x、第３ゲイン係数Ｋ3_xということがある。このことは、（１０）式におけるゲイン係数Ｋ1_y，Ｋ2_y，Ｋ3_yについても同様とする。 In this case, the gain coefficients K1_x, K2_x, K3_x related to each manipulated variable component in the equation (9) are variably set according to the gain adjustment parameter Kr_x, and the gain coefficient K1_y related to each manipulated variable component in the equation (10). , K2_y, K3_y are variably set according to the gain adjustment parameter Kr_y. Hereinafter, the gain coefficients K1_x, K2_x, and K3_x in the expression (9) may be referred to as a first gain coefficient K1_x, a second gain coefficient K2_x, and a third gain coefficient K3_x, respectively. The same applies to the gain coefficients K1_y, K2_y, and K3_y in equation (10).
（９）式における第ｉゲイン係数Ｋi_x（ｉ＝１，２，３）と、（１０）式における第ｉゲイン係数Ｋi_y（ｉ＝１，２，３）とは、図１４中にただし書きで示した如く、下記（１１）式、（１２）式により、ゲイン調整パラメータＫr_x，Ｋr_yに応じて決定される。
Ｋi_x＝（１−Ｋr_x）・Ｋi_a_x＋Ｋr_x・Ｋi_b_x ・・・（１１）
Ｋi_y＝（１−Ｋr_y）・Ｋi_a_y＋Ｋr_y・Ｋi_b_y ・・・（１２）
（ｉ＝１，２，３）
ここで、（１１）式におけるＫi_a_x、Ｋi_b_xは、それぞれ、第ｉゲイン係数Ｋi_xの最小側（“０”に近い側）のゲイン係数値、最大側（“０”から離れる側）のゲイン係数値としてあらかじめ設定された定数値である。このことは、（１２）式におけるＫi_a_y、Ｋi_b_yについても同様である。
The i-th gain coefficient Ki_x (i = 1, 2, 3) in the expression (9) and the i-th gain coefficient Ki_y (i = 1, 2, 3) in the expression (10) are shown by proviso in FIG. As described above, the gain adjustment parameters Kr_x and Kr_y are determined according to the following equations (11) and (12).
Ki_x = (1−Kr_x) · Ki_a_x + Kr_x · Ki_b_x (11)
Ki_y = (1−Kr_y) · Ki_a_y + Kr_y · Ki_b_y (12)
(I = 1, 2, 3)
Here, Ki_a_x and Ki_b_x in the equation (11) are the gain coefficient value on the minimum side (side closer to “0”) and the gain coefficient value on the maximum side (side away from “0”) of the i-th gain coefficient Ki_x, respectively. Is a preset constant value. The same applies to Ki_a_y and Ki_b_y in equation (12).
従って、（９）式の演算に用いる各第ｉゲイン係数Ｋi_x（ｉ＝１，２，３）は、それぞれに対応する定数値Ｋi_a_x、Ｋi_b_xの重み付き平均値として決定される。そして、この場合、Ｋi_a_x、Ｋi_b_xにそれぞれ掛かる重みが、ゲイン調整パラメータＫr_xに応じて変化させられる。このため、Ｋr_x＝０である場合には、Ｋi_x＝Ｋi_a_xとなり、Ｋr_x＝１である場合には、Ｋi_x＝Ｋi_b_xとなる。そして、Ｋr_xが“０”から“１”に近づくに伴い、第ｉゲイン係数Ｋi_xはＫi_a_xからＫi_b_x近づいていく。 Accordingly, each i-th gain coefficient Ki_x (i = 1, 2, 3) used in the calculation of the equation (9) is determined as a weighted average value of the corresponding constant values Ki_a_x and Ki_b_x. In this case, the weights applied to Ki_a_x and Ki_b_x are changed according to the gain adjustment parameter Kr_x. Therefore, when Kr_x = 0, Ki_x = Ki_a_x, and when Kr_x = 1, Ki_x = Ki_b_x. As Kr_x approaches “1” from “0”, the i-th gain coefficient Ki_x approaches Ki_b_x from Ki_a_x.
同様に、（１０）式の演算に用いる各第ｉゲイン係数Ｋi_y（ｉ＝１，２，３）は、それぞれに対応する定数値Ｋi_a_y、Ｋi_b_yの重み付き平均値として決定される。そして、この場合、Ｋi_a_y、Ｋi_b_yにそれぞれ掛かる重みが、ゲイン調整パラメータＫr_yに応じて変化させられる。このため、Ｋi_xの場合と同様に、Ｋr_yの値が“０”から“１”の間で変化するに伴い、第ｉゲイン係数Ｋi_yの値が、Ｋi_a_yとＫi_b_yとの間で変化する。
補足すると、上記定数値Ｋi_a_x、Ｋi_b_x及びＫi_a_y，Ｋi_b_y（ｉ＝１，２，３）は、前記ステップＳ６において値が設定される定数パラメータに含まれるものである。
Similarly, each i-th gain coefficient Ki_y (i = 1, 2, 3) used in the calculation of equation (10) is determined as a weighted average value of the corresponding constant values Ki_a_y and Ki_b_y. In this case, the weights applied to Ki_a_y and Ki_b_y are changed according to the gain adjustment parameter Kr_y. Therefore, as in the case of Ki_x, as the value of Kr_y changes between “0” and “1”, the value of the i-th gain coefficient Ki_y changes between Ki_a_y and Ki_b_y.
Supplementally, the constant values Ki_a_x, Ki_b_x and Ki_a_y, Ki_b_y (i = 1, 2, 3) are included in the constant parameters whose values are set in step S6.
姿勢制御演算部８０は、上記の如く決定した第１〜第３ゲイン係数Ｋ1_x，Ｋ2_x，Ｋ3_xを用いて前記（９）式の演算を行なうことで、Ｘ軸方向に輪転する仮想車輪６２_xに係わる仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmdを算出する。
さらに詳細には、図１４を参照して、姿勢制御演算部８０は、基体傾斜角度偏差計測値θbe_x_s（＝基体傾斜角度計測値θb_x_s）に第１ゲイン係数Ｋ1_xを乗じてなる操作量成分ｕ1_xと、基体傾斜角速度計測値θbdot_x_sに第２ゲイン係数Ｋ2_xを乗じてなる操作量成分ｕ2_xとをそれぞれ、処理部８０ａ，８０ｂで算出する。さらに、姿勢制御演算部８０は、重心速度推定値Ｖb_x_sと制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdとの偏差（＝Ｖb_x_s−Ｖb_x_mdfd）を演算部８０ｄで算出し、この偏差に第３ゲイン係数Ｋ3_xを乗じてなる操作量成分ｕ3_xを処理部８０ｃで算出する。さらに、姿勢制御演算部８０は、Ｘ軸荷重計測値Ｆx1に伝達関数Ｗ１／（１＋ＴＳ）を乗じてなる操作量成分ｕ4_xを処理部８０ｇで算出する。
そして、姿勢制御演算部８０は、これらの操作量成分u1_x，ｕ2_x，ｕ3_x、ｕ4_xとバイアス定数biasを演算部８０ｅにて加え合わせることにより、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_comを算出する。
The attitude
In more detail, with reference to FIG. 14, the posture
Then, the attitude
同様に、姿勢制御演算部８０は、上記の如く決定した第１〜第３ゲイン係数Ｋ1_y，Ｋ2_y，Ｋ3_yを用いて前記（１０）式の演算を行なうことで、Ｙ軸方向に輪転する仮想車輪６２_yに係わる仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_y_cmdを算出する。
この場合には、姿勢制御演算部８０は、基体傾斜角度偏差計測値θbe_x_s（＝基体傾斜角度計測値θb_x_s）に第１ゲイン係数Ｋ1_yを乗じてなる操作量成分ｕ1_yと、基体傾斜角速度計測値θbdot_y_sに第２ゲイン係数Ｋ2_yを乗じてなる操作量成分ｕ2_yとをそれぞれ、処理部８０ａ，８０ｂで算出する。さらに、姿勢制御演算部８０は、重心速度推定値Ｖb_y_sと制御用目標重心速度Ｖb_y_mdfdとの偏差（＝Ｖb_y_s−Ｖb_y_mdfd）を演算部８０ｄで算出し、この偏差に第３ゲイン係数Ｋ3_yを乗じてなる操作量成分ｕ3_yを処理部８０ｃで算出する。
そして、姿勢制御演算部８０は、これらの操作量成分u1_y，ｕ2_y，ｕ3_yを演算部８０ｅにて加え合わせることにより、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_y_comを算出する。
Similarly, the attitude
In this case, the posture
Then, the posture
ここで、（９）式の右辺の第１項（＝第１操作量成分ｕ1_x）及び第２項（＝第２操作量成分ｕ2_x）は、Ｙ軸周り方向での基体傾斜角度偏差計測値θbe_x_sを、フィードバック制御則としてのＰＤ則（比例・微分則）により“０”に収束させる（基体傾斜角度計測値θb_x_sを目標値θb_x_objに収束させる）ためのフィードバック操作量成分としての意味を持つ。
また、（９）式の右辺の第３項（＝第３操作量成分ｕ3_x）は、重心速度推定値Ｖb_x_sと目標重心速度Ｖb_x_mdfdとの偏差をフィードバック制御則としての比例則により“０”に収束させる（Ｖb_x_sをＶb_x_mdfdに収束させる）ためのフィードバック操作量成分としての意味を持つ。
これらのことは、（１０）式の右辺の第１〜第３項（第１〜第３操作量成分ｕ1_y，ｕ2_y，ｕ3_y）についても同様である。
Here, the first term (= first manipulated variable component u1_x) and the second term (= second manipulated variable component u2_x) on the right side of the equation (9) are the measured values of the base body tilt angle deviation θbe_x_s in the direction around the Y axis. Is converged to “0” by the PD law (proportional / differential law) as a feedback control law (meaning that the measured base body tilt angle value θb_x_s converges to the target value θb_x_obj).
Further, the third term (= third manipulated variable component u3_x) on the right side of the equation (9) converges to “0” by the proportional law as the feedback control law for the deviation between the center of gravity speed estimated value Vb_x_s and the target center of gravity speed Vb_x_mdfd. It has a meaning as a feedback manipulated variable component for causing Vb_x_s to converge to Vb_x_mdfd.
The same applies to the first to third terms (first to third manipulated variable components u1_y, u2_y, u3_y) on the right side of equation (10).
姿勢制御演算部８０は、上記の如く、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_com，ωwdot_y_comを算出した後、次に、これらのωwdot_x_com，ωwdot_y_comをそれぞれ積分器８０ｆにより積分することによって、前記仮想車輪回転速度指令ωw_x_com，ωw_y_comを決定する。
以上が姿勢制御演算部８０の処理の詳細である。
The attitude
The above is the details of the processing of the attitude
補足すると、（９）式の右辺の第３項を、Ｖb_x_sに応じた操作量成分（＝K3_x・Ｖb_x_s）と、Ｖb_x_mdfdに応じた操作量成分（＝−K3_x・Ｖb_x_mdfd)とに分離した式によって、仮想車輪回転角加速度指令ωdotw_x_comを算出するようにしてよい。同様に、（１０）式の右辺の第３項を、Ｖb_y_sに応じた操作量成分（＝K3_y・Ｖb_y_s）と、Ｖb_y_mdfdに応じた操作量成分（＝−K3_y・Ｖb_y_mdfd)とに分離した式によって、仮想車輪回転角加速度指令ωdotw_y_comを算出するようにしてよい。
また、本実施形態では、車両系重心点の挙動を制御するための操作量（制御入力）として、仮想車輪６２_x，６２_yの回転角加速度指令ωw_x_cmd，ωw_y_cmdを用いるようにしたが、例えば、仮想車輪６２_x，６２_yの駆動トルク、あるいは、この駆動トルクに各仮想車輪６２_x，６２_yの半径Ｒw_x，Ｒw_yを乗じてなる並進力（すなわち仮想車輪６２_x，６２_yと床面との間の摩擦力）を操作量として用いるようにしてもよい。
Supplementally, the third term on the right side of equation (9) is divided into an operation amount component (= K3_x · Vb_x_s) according to Vb_x_s and an operation amount component (= −K3_x · Vb_x_mdfd) according to Vb_x_mdfd. The virtual wheel rotation angular acceleration command ωdotw_x_com may be calculated. Similarly, the third term on the right side of equation (10) is divided into an operation amount component (= K3_y · Vb_y_s) according to Vb_y_s and an operation amount component (= −K3_y · Vb_y_mdfd) according to Vb_y_mdfd. The virtual wheel rotation angular acceleration command ωdotw_y_com may be calculated.
In the present embodiment, the rotational angular acceleration commands ωw_x_cmd and ωw_y_cmd of the virtual wheels 62_x and 62_y are used as the operation amount (control input) for controlling the behavior of the vehicle system center-of-gravity point. 62_x, 62_y, or a translational force obtained by multiplying the driving torque by the radii Rw_x, Rw_y of the virtual wheels 62_x, 62_y (that is, frictional forces between the virtual wheels 62_x, 62_y and the floor surface). You may make it use as.
図１０の説明に戻って、制御ユニット５０は、次に、姿勢制御演算部８０で上記の如く決定した仮想車輪回転速度指令ωw_x_com，ωw_y_comをモータ指令演算部８２に入力し、該モータ指令演算部８２の処理を実行することによって、電動モータ３１Ｒの速度指令ω_R_comと電動モータ３１Ｌの速度指令ω_L_comとを決定する。このモータ指令演算部８２の処理は、前記リミット処理部８６（図１２参照）のＸＹ−ＲＬ変換部８６ｂの処理と同じである。
具体的には、モータ指令演算部８２は、前記（３）式，（４）式のωw_x，ωw_y，ω_R，ω_Lをそれぞれ、ωw_x_com，ωw_y_com，ω_R_cmd，ω_L_cmdに置き換えて得られる連立方程式を、ω_R_cmd，ω_L_cmdを未知数として解くことによって、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの速度指令ω_R_com，ω_L_comを決定する。
以上により前記ステップＳ８、つまり搭乗モード時の車両制御演算処理が完了する。
Returning to the description of FIG. 10, the
Specifically, the motor
The above-described step S8, that is, the vehicle control calculation process in the boarding mode is completed.
次に、上記ステップＳ１２について、つまり補助モード時の車両制御演算処理の詳細について説明する。なお、搭乗モード時の車両制御演算処理と、補助モード時の車両制御演算処理とでは一部重複する部分があるため、以下では、搭乗モード時の車両制御演算処理とは異なる点に着目して補助モード時の車両制御演算処理を説明する。 Next, step S12, that is, details of the vehicle control calculation process in the auxiliary mode will be described. Note that there are some overlaps between the vehicle control calculation process in the boarding mode and the vehicle control calculation process in the auxiliary mode, so the following focuses on the differences from the vehicle control calculation process in the boarding mode. A vehicle control calculation process in the assist mode will be described.
制御ユニット５０は、上記の如き、ステップＳ１２の車両制御演算処理を実行するための機能として、図１５のブロック図で示す機能を備えている。この図１５に示すように、補助モード時の制御ブロックは、図１０で示した搭乗モード時の制御ブロックと比較して、姿勢制御演算部８０に対して、基体傾斜角度計測値θb_xy_が新たに追加入力されている。また、図１５では、搭乗モードと区別するために、補助モード時における姿勢制御演算部の符号を８０’とする。その他の構成は搭乗モード時の制御ブロックと同様である。
As described above, the
この補助モード時における姿勢制御演算部８０’の処理を、図１６を参照して説明する。 姿勢制御演算部８０’には、偏差演算部７０で算出された基体傾斜角度偏差計測値θbe_xy_sと、前記ステップＳ２で算出された基体傾斜角度計測値θb_xy_s（θb_x_s及びθb_y_s）と、前記ステップＳ２で算出された基体傾斜角速度計測値θbdot_xy_sと、前記ステップＳ３で取得されたＸ軸荷重計測値Ｆx1と、バイアス定数biasと、重心速度算出部７２で算出された重心速度推定値Ｖb_xy_sと、重心速度制限部７６で算出された目標重心速度Ｖb_xy_cmdと、ゲイン調整部７８で算出されたゲイン調整パラメータＫr_xyとが入力される。
The processing of the attitude control calculation unit 80 'in the auxiliary mode will be described with reference to FIG. The posture
そして、姿勢制御演算部８０’は、まず、これらの入力値を用いて、下記（１３）式，（１４）式により、仮想車輪回転角加速度指令ωdotw_xy_comを算出する。なお、（１３）式は、搭乗モードで使用される（９）式と同じ式である。
ωwdot_x_cmd＝K1_x・θb_x_s＋K2_x・θbdot_x_s＋K3_x・(Ｖb_x_s−Ｖb_x_mdfd)
＋Ｗ１・Ｆx1／（１＋ＴＳ）＋bias ・・・（１３）
ωwdot_y_cmd＝K1_y・θb_y_s＋K2_y・θbdot_y_s＋K3_y・(Ｖb_y_s−Ｖb_y_mdfd)
＋ Ｗo・θbe_xy_s＋Ｗo・θbdot_y_s ・・・（１４）
Then, the attitude
ωwdot_x_cmd = K1_x ・ θb_x_s + K2_x ・ θbdot_x_s + K3_x ・ (Vb_x_s−Vb_x_mdfd)
+ W1 · Fx1 / (1 + TS) + bias (13)
ωwdot_y_cmd = K1_y ・ θb_y_s + K2_y ・ θbdot_y_s + K3_y ・ (Vb_y_s−Vb_y_mdfd)
+ Wo · θbe_xy_s + Wo · θbdot_y_s (14)
姿勢制御演算部８０’は、前記（１３）式の演算を行なうことで、Ｘ軸方向に輪転する仮想車輪６２_xに係わる仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmdを算出する。
さらに詳細には、姿勢制御演算部８０‘は、基体傾斜角度計測値θb_x_sに第１ゲイン係数Ｋ1_xを乗じてなる操作量成分ｕ1_xと、基体傾斜角速度計測値θbdot_x_sに第２ゲイン係数Ｋ2_xを乗じてなる操作量成分ｕ2_xとをそれぞれ、処理部８０ａ，８０ｂで算出する。さらに、姿勢制御演算部８０’は、重心速度推定値Ｖb_x_sと制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdとの偏差（＝Ｖb_x_s−Ｖb_x_mdfd）を演算部８０ｄで算出し、この偏差に第３ゲイン係数Ｋ3_xを乗じてなる操作量成分ｕ3_xを処理部８０ｃで算出する。さらに、姿勢制御演算部８０は、Ｘ軸荷重計測値Ｆx1に伝達関数Ｗ１／（１＋ＴＳ）を乗じてなる操作量成分ｕ4_xを処理部８０ｇで算出する。
そして、姿勢制御演算部８０’は、これらの操作量成分u1_x，ｕ2_x，ｕ3_x、ｕ4_xとバイアス定数biasを演算部８０ｅにて加え合わせることにより、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_comを算出する。
The attitude
More specifically, the posture
Then, the posture
また、姿勢制御演算部８０’は、前記（１４）式の演算を行なうことで、Ｙ軸方向に輪転する仮想車輪６２_yに係わる仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_y_cmdを算出する。
この場合には、姿勢制御演算部８０’は、基体傾斜角度計測値θb_y_sに第１ゲイン係数Ｋ1_yを乗じてなる操作量成分ｕ1_yと、基体傾斜角速度計測値θbdot_y_sに第２ゲイン係数Ｋ2_yを乗じてなる操作量成分ｕ2_yとをそれぞれ、処理部８０ａ，８０ｂで算出する。また、姿勢制御演算部８０’は、重心速度推定値Ｖb_y_sと制御用目標重心速度Ｖb_y_mdfdとの偏差（＝Ｖb_y_s−Ｖb_y_mdfd）を演算部８０ｄで算出し、この偏差に第３ゲイン係数Ｋ3_yを乗じてなる操作量成分ｕ3_yを処理部８０ｃで算出する。
さらに、姿勢制御演算部８０’は、基体傾斜角度偏差計測値θbe_xy_sにゲイン係数Ｗ0を乗じてなる操作量成分ｕ5_yを処理部８０ｈで算出し、基体傾斜角速度計測値θbdot_y_sにゲイン係数Ｗ0を乗じてなる操作量成分ｕ6_yを処理部８０ｉで算出する。
そして、姿勢制御演算部８０’は、これらの操作量成分u1_y，ｕ2_y，ｕ3_y、ｕ5_y、ｕ6_yを演算部８０ｅにて加え合わせることにより、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_y_comを算出する。
以上が補助モード時における姿勢制御演算部８０’の処理の詳細である。
Further, the attitude
In this case, the posture
Further, the posture
Then, the posture
The above is the details of the processing of the attitude
以上説明したように、本実施形態によると、上述した補助モード時におけるシート３の高さ制御（ステップＳ１１）及び基体９の姿勢制御（ステップＳ１２）を行うことにより、利用者が歩行する際に、図８（ｂ）に示すように、シート３を利用者の尻部等の所定部位に押し付けて体重を支えながら、歩行に合わせて移動可能であるため、利用者の歩行を補助することの可能な全方向移動車両１を提供することができる。
As described above, according to the present embodiment, when the user walks by performing the height control (step S11) of the seat 3 and the posture control (step S12) of the
また、本実施形態によれば、荷重センサ５４にて検出された荷重計測値Ｆzactが一定値（Ｆzcmd）となるようにシート３の高さ制御を行うと共に、傾斜センサ５２にて検出された基体傾斜角度計測値θb_xy_sが一定値（目標値θb_xy_obj）となるように基体９の姿勢制御を行うため、利用者の歩行時における姿勢や振動などに関わらず、利用者と全方向移動車両１との位置関係を一定に保持することができるため、安全且つ安定した補助動作を利用者に提供することができる。
Further, according to the present embodiment, the height of the seat 3 is controlled so that the load measurement value Fzact detected by the
また、本実施形態によれば、傾斜センサ５２にて検出された基体傾斜角度計測値θb_xy_sが０度（目標値θb_xy_obj＝０）となるように基体９の姿勢制御を行う搭乗モードと、傾斜センサ５２にて検出された基体傾斜角度計測値θb_xy_sが一定値（目標値θb_xy_obj）となるように基体９の姿勢制御を行う補助モードとの２つの動作モードを選択的に使用することができる。その結果、図８（ａ）に示すように、利用者が全方向移動車両１に搭乗して移動することもでき、また、図８（ｂ）に示すように、利用者の歩行を補助するために全方向移動車両１を利用することもできるため、利便性の向上を図ることができる。
Further, according to the present embodiment, the boarding mode for controlling the posture of the
また、本実施形態によれば、荷重センサ５４にて検出された荷重に応じて搭乗モードと補助モードとのいずれか一方の動作モードを選択するため、２つの動作モードの一方を自動選択できるようになる。その結果、利用者にモード選択のための余計な操作を強制することなく、利便性の向上に寄与することができる。
なお、上記実施形態では、荷重センサ５４にて検出された荷重に応じて搭乗モードと補助モードとのいずれか一方の動作モードを選択する機能を制御ユニット５０に設けたが、これに限らず、図１に示すモード切替用のスイッチ１６の状態に応じて搭乗モードと補助モードとのいずれか一方の動作モードを選択する機能を制御ユニット５０に設けても良い。
これによると、搭乗モードと補助モードとの２つの動作モードの一方を手動選択できるため、利用者が自分の好みの動作モードに固定して全方向移動車両１を使用できるようになる。
In addition, according to the present embodiment, one of the two operation modes can be automatically selected because one of the boarding mode and the auxiliary mode is selected according to the load detected by the
In the above embodiment, the
According to this, since one of the two operation modes of the boarding mode and the auxiliary mode can be manually selected, the user can use the
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が挙げられる。
上記実施形態では、伸縮機構である直動アクチュエータ１４としてボールネジ機構を例示して説明したが、これに限らず、基体９を伸縮させることが可能であれば、どのような機構を用いても良い。例えば、図１７（ａ）に示すように、マジックハンド構造の伸縮機構１４−１を用いても良く、また、図１７（ｂ）に示すように、はしご構造の伸縮機構１４−２を用いても良い。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, The following modifications are mentioned.
In the above-described embodiment, the ball screw mechanism is exemplified as the
また、上記実施形態では、図１及び図２に示した構造の車両１を例示したが、本発明における全方向移動車両１は、本実施形態で例示した車両に限られるものではない。
具体的には、本実施形態の車両１の移動動作部としての車輪体５は一体構造のものであるが、例えば、前記特許文献２の図１０に記載されているような構造のものであってもよい。すなわち、剛性を有する円環状の軸体に、複数のローラをその軸心が該軸体の接線方向に向くようにして回転自在に外挿し、これらの複数のローラを軸体に沿って円周方向に配列させることによって、車輪体を構成してもよい。
さらに移動動作部は、例えば、特許文献１の図３に記載されているようなクローラ状の構造のものであってもよい。
あるいは、例えば、前記特許文献１の図５、特許文献２の図７、もしくは特許文献３の図１に記載されているように、移動動作部を球体により構成し、この球体を、アクチュエータ装置（例えば前記車輪体５を有するアクチュエータ装置）によりＸ軸周り方向及びＹ軸周り方向に回転駆動するように車両を構成してもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the
Specifically, the
Furthermore, the moving operation unit may have a crawler-like structure as described in FIG.
Alternatively, for example, as described in FIG. 5 of
このように本発明は、前記特許文献１〜３等に見られる如き、各種の構造の全方向移動車両に適用することが可能である。
さらには、本発明における全方向移動車両は、床面上を全方向に移動可能な移動動作部を複数（例えば、左右方向に２つ、あるいは、前後方向に２つ、あるいは、３つ以上）備えていてもよい。この場合、例えば、移動動作部を３つ以上備えた場合には、基体が傾動しないようにして、該基体の傾斜角度の制御を省略してもよい。
As described above, the present invention can be applied to omnidirectional vehicles having various structures as seen in
Furthermore, the omnidirectional vehicle according to the present invention includes a plurality of moving operation units that can move in all directions on the floor surface (for example, two in the left-right direction, two in the front-rear direction, or three or more). You may have. In this case, for example, when three or more moving operation units are provided, the control of the tilt angle of the base body may be omitted by preventing the base body from tilting.
また、上記実施形態では、シート３に作用する荷重が一定となるようにシート３の高さ制御を行った場合を例示したが、これに限らず、シート３の高さが一定となるように制御するようにしても良い。具体的には、例えば、基体９の基準高さをＬ、基体９の傾斜角をθbとすると、直動アクチュエータ１４の伸縮量を、Ｌ・（１−cosθb）／cosθbとすることで、シート３の高さを一定に制御することが可能となる。
In the above embodiment, the case where the height of the seat 3 is controlled so that the load acting on the seat 3 is constant is illustrated. However, the present invention is not limited thereto, and the height of the seat 3 is constant. You may make it control. Specifically, for example, when the reference height of the
１…全方向移動車両、３…シート（荷重受け部）、５…移動動作部（駆動機構）、７…アクチュエータ装置（駆動機構）、９…基体、１４…直動アクチュエータ（伸縮機構）、５２…傾斜センサ（傾斜検出部）、５４…荷重センサ（荷重検出部）、５０…制御ユニット（制御部）
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記基体に接続され、床面上の互いに直交する二方向を含む全方向に駆動力を発生する駆動機構と、
前記基体を伸縮させる伸縮機構と、
前記基体に接続され、利用者の荷重を受ける荷重受け部と、
前記荷重受け部に作用する荷重を検出する荷重検出部と、
前記基体の傾斜角を検出する傾斜角検出部と、
前記荷重検出部にて検出された前記荷重が一定値となるように前記伸縮機構を制御することで前記荷重受け部の高さ制御を行うと共に、前記傾斜角検出部にて検出された前記傾斜角が一定値となるように前記駆動機構を制御することで前記基体の姿勢制御を行う制御部と、
を備えることを特徴とする全方向移動車両。 A substrate;
A driving mechanism that is connected to the base and generates a driving force in all directions including two directions perpendicular to each other on the floor surface;
An expansion / contraction mechanism for expanding / contracting the substrate;
A load receiver connected to the base body for receiving a load of a user;
A load detection unit for detecting a load acting on the load receiving unit;
An inclination angle detection unit for detecting an inclination angle of the substrate;
The height of the load receiving part is controlled by controlling the expansion / contraction mechanism so that the load detected by the load detection part becomes a constant value, and the inclination detected by the inclination angle detection part A control unit for controlling the posture of the base body by controlling the drive mechanism so that the angle becomes a constant value ;
An omnidirectional vehicle characterized by comprising:
前記制御部は、前記スイッチの状態に応じて前記搭乗モードと前記補助モードとのいずれか一方の動作モードを選択することを特徴とする請求項２記載の全方向移動車両。 The omnidirectional vehicle according to claim 2, wherein the control unit selects one of the operation mode of the boarding mode and the auxiliary mode according to a state of the switch.
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