CN102574559A - 倒立摆型移动体 - Google Patents

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Abstract

一种倒立摆型移动体，即使仅通过作为驱动轮的一个轮行驶，也能够在不使用特别的附属装置的情况下容易地进行转弯运动。使移动体的大致上下方向的惯性主轴(B)相对于铅直方向向后方倾斜。其结果为，只要搭乘者使重心向左右的某个方向移动并使移动体向同方向倾斜，主轮(85)就会围绕惯性主轴旋转，成为宛如转舵那样的状态，由此能够容易地使移动体向对应的方向转弯。

Description

倒立摆型移动体
技术领域
本发明涉及一边维持直立姿势一边移动的倒立摆型移动体。更详细地说涉及仅通过作为驱动轮的一个轮行驶，而且能够改变行进方向的倒立摆型移动体。
背景技术
公知一种倒立摆型移动体，其具有行驶单元，该行驶单元包括：由各自的电动马达分别驱动的一对驱动体；被夹持在这一对驱动体之间、且从驱动体受到摩擦力而驱动的一个主轮(例如，专利文献1)。专利文献1的主轮具有：圆环形状的环状体；在环状体的环方向配置多个、且能够绕与各自的配置位置处的环状体的切线方向平行的旋转轴旋转的从动辊，从动辊与驱动体接触并被驱动。在从动辊围绕环状体的切线方向的旋转轴旋转(自转)的情况下，倒立摆型移动体在左右方向获得推力，在从动辊沿环状体的环方向旋转(公转)的情况下，倒立摆型移动体在前后方向获得推力。
专利文献1：国际公开第08/132779号小册子
专利文献2：国际公开第08/139740号小册子
根据这样的倒立摆型移动体，由于仅通过一个轮行驶，而且，在低速或静止状态下也能够维持直立姿势，所以，即使在狭窄的环境中也能够自由移动，能够获得以往的乘坐装置所不具有的便利性。另外，由于移动体的大小及重量较小就能够实现，所以，通过携带搬运等能够在各种场所加以利用。
然而，由于仅通过一个轮行驶，所以无法转舵，虽然能够斜向前进，但存在难以进行伴随着偏航率(yaw rate)那样的转弯运动这一问题。当乘员在转动身体的同时使手向外伸出或拉回等进行改变自身惯性力矩的运动时，能够产生绕着接地点的旋转力矩，可以认为能够进行转弯运动。但是，在实际中尝试进行转弯运动时，发现无法容易地进行转弯运动。
因此，还提出了一种倒立摆型移动体，其通过使用在主轮的接地点以外的点接地的杖状接地部件等而产生绕着接地点的旋转力矩，能够良好地进行转弯运动(专利文献2)。由此，能够进行良好的旋转，但需要追加接地部件并对其动作进行控制，因此存在移动体构造复杂化的问题。另外，还担心在狭窄的环境下接地部件会与建筑物或人接触。
发明内容
本发明是鉴于以上问题而研发的，其目的在于提供一种倒立摆型移动体，即使仅通过一个轮进行行驶，也能够在不使用特别的附属装置的情况下容易地进行转弯运动。
为了解决上述课题，提供一种倒立摆型移动体，其具有：基体，具有第一驱动装置；至少一个的主轮，设在所述基体下部、且被所述第一驱动装置向圆周方向驱动；搭乘部，用于支承搭乘体，且设在所述基体上；前后方向控制装置，根据该移动体的状态控制施加在所述主轮上的圆周方向驱动力而使该移动体以直立状态保持、行驶，使该移动体的大致上下方向的惯性主轴相对于铅直方向向后方倾斜。
发明的效果
虽然刚体具有三根惯性主轴，但在使刚体围绕惯性主轴旋转时，不会连成围绕多条轴线的旋转，因此能够稳定地旋转。尤其是，通过使搭乘体等动态地位移，能够对移动体赋予旋转力矩。而且，若使该惯性主轴相对于铅直方向向后方倾斜，则该惯性主轴与地面的交点比主轮的接地点位于前方。在这样的状态下，只要搭乘体使重心向左右某一方向移动并使移动体向同方向倾斜，主轮就会围绕惯性主轴旋转，成为宛如转舵那样的状态，从而能够使移动体向同方向转弯。
这种结构也能够适用于具有左右一对驱动轮的移动体，但特别优选适用于如下情况：移动体还具有：从动辊，其以围绕所述主轮的圆周方向轴线旋转的方式设在所述主轮上、且被所述驱动装置向其旋转方向驱动；左右方向控制装置，其根据该移动体的状态控制施加在所述从动辊上的旋转方向驱动力，并用于将该移动体保持在直立状态。
尤其是，若使所述惯性主轴为伴有最小的惯性二次力矩的最小惯性主轴，则围绕该轴的旋转特别容易，能够根据这样的旋转而适当地转弯。还具有用于向所述驱动装置供电的电池，以使所述电池的重心与该移动体整体的重心相比位于上方及后方的方式配置所述电池，所述驱动装置具有马达，以使所述马达的重心与该移动体整体的重心相比位于下方及前方的方式配置所述马达，在该情况下，能够使大致上下方向的惯性主轴由伴有最小的惯性二次力矩的最小惯性主轴构成。
附图说明
图1是表示倒立摆型移动体的可搭乘状态(鞍座以及踏板展开了的状态)的立体图。
图2是表示倒立摆型移动体的收纳状态(鞍座以及踏板收纳了的状态)的立体图。
图3是表示倒立摆型移动体的可搭乘状态的后视图。
图4是倒立摆型移动体的分解立体图。
图5是图1的V-V线剖视图。
图6是上部构造体的分解立体图。
图7是图1的VII-VII线剖视图。
图8是图1的VIII-VIII线剖视图。
图9是图8的主要部分放大剖视图。
图10是表示电装组件的立体图。
图11是将上部构造体和下部构造体的连结构造局部剖开并示出的立体图。
图12是表示上部构造体和下部构造体的连结构造的剖视图。
图13是表示倒立摆型移动体的控制系统的框图。
图14是表示倒立摆型移动体的搭乘状态的立体图。
图15(A)是表示非搭乘状态的侧视图，图15(B)是表示落座搭乘状态的倒立摆型移动体的倒立姿势的侧视图。
图16是表示进行转弯时的主轮的几何结构的简图。
图17是表示本发明的倒立摆型移动体的第二实施例的立体图。
图18是表示本发明的倒立摆型移动体的第三实施例的立体图。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明实施方式的倒立摆型移动体的详细情况。在说明时，关于倒立摆型移动体以及其构成要素的方向，将铅直方向作为上下方向，在与铅直方向正交的水平面中相互正交的前后方向以及左右方向以图示方式确定。此外，对于左右对称地设置的同一部件，在附图标记的角标处标注L、R，仅说明一方。
<倒立摆型移动体的整体构成>
如图1～图5所示，倒立摆型移动体(以下，仅简称为“移动体”)1作为主要构成要素具有：沿大致上下方向延伸的作为骨架构造的框架2；设在框架2的下部的行驶单元3；设在框架2的上部的落座单元4；设在框架2的内部的电装单元11；设在框架2的上部、向各单元以及传感器供给电力的电池单元10。电装单元11具有：倒立摆控制单元(倒立摆控制部。以下，仅简称为“控制单元”)5；上部负荷传感器6；倾斜传感器(倾斜角检测机构)7。控制单元5基于倒立摆控制并根据来自各种传感器的输入信号对行驶单元3进行驱动控制，并使移动体1维持为倒立姿势。另外，移动体1在适当位置具有与电装单元11分体的踏板负荷传感器8以及旋转编码器9L、9R。
<框架的构成>
如图1所示，框架2形成中空的外壳构造，呈前后方向的宽度比左右方向的宽度大的扁平形状。另外，框架2在上下方向的中央且在全周范围内具有缩颈部2A。缩颈部2A中，前后方向的凹陷比左右方向大。框架2从左右方向观察呈大致8字状。框架2在缩颈部2A处被分割成上下，如图4所示，由分体的上部框架21和下部框架22构成。上部框架21以及下部框架22分别由通过使碳预浸料片(carbon pregregsheet)热固化而形成的干式碳纤维(dry carbon)(碳纤维增强树脂：CFRP)构成。上部框架21和下部框架22经由后述的上部负荷传感器6(图5)连结。
如图5所示，上部框架21以在中央部形成贯穿左右方向的鞍座收纳部24的方式形成为环状，该环状部分形成为中空。形成于环状部分的内部空间26以鞍座收纳部24为基准分成前部内部空间26A、后部内部空间26B、上部内部空间26C、下部内部空间26D。在上部框架21的下端部形成有向下方开口的下部开口部25，下部内部空间26D和外部连通。另外，在上部框架21的上端部形成有向上方开口的上部开口部27，上部内部空间26C和外部连通。在鞍座收纳部24的上壁部分形成有连通上部内部空间26C和鞍座收纳部24的鞍座安装孔28。在鞍座收纳部24的下壁部分且位于下部开口部25的上方的部分，形成有从鞍座收纳部24向下方凹陷设置的连接凹部29，在连接凹部29的底部的中央部形成有作为贯穿孔的连结孔30。连接凹部29以及连结孔30成为与后述的下部构造体14连接的连接部。
如图3所示，在上部框架21的后部外表面埋设有开关盘40。开关盘40具有：使移动体1的主电源接通、断开的电源开关41；显示移动体1的主电源的接通/断开状态的电源灯42。
如图6所示，在上部框架21的下部内部空间26D的内壁上，以隔着连接凹部29而位于左右方向的方式粘接有一对金属制的支承基座51L、51R。各支承基座51L、51R具有朝向下方的水平面并沿前后方向延伸，且具有向下方开口的内螺纹孔。
如图4所示，下部框架22具有上部开口部31以及下部开口部32并形成为筒状。下部框架22的左右的侧壁33大致沿上下方向延伸，且相互平行。下部框架22的前后的壁34随着从上侧趋向下侧而沿前后方向鼓出，从左右方向观察时，下部框架22的下部呈半圆状。该下部框架22的呈半圆状的下部划分成收容行驶单元3的上半部的收容空间35。
在左右的侧壁33上分别形成有与下部开口部32连续的半圆状的切缺部36。左右的切缺部36相对于左右方向的轴线相互同轴地配置。在切缺部36与下部开口部32的边界部分上，在前后各形成有一个突片37，该突片37以使得切缺部36的周缘延长的方式向下方延伸。在前后的壁34的上部并在形成缩颈部2A的部分上，分别形成有通气孔39。通气孔39是沿左右方向延伸的长孔状的贯穿孔，在上下方向平行地排列设有多个。
在下部框架22的左右侧壁33的上部开口部31附近的内壁上，分别粘接有一对金属制的支承基座53L、53R。各支承基座53沿前后方向延伸，其上表面为水平面。在各支承基座53的前后端附近分别形成有沿上下方向贯穿的内螺纹孔54(图11)。
如图5所示，在上部框架21上安装有落座单元4、电池单元10等而构成上部构造体13，在下部框架22上安装有行驶单元3、电装单元11、各种传感器8、9等(图4、图8)而构成下部构造体14。上部构造体13和下部构造体14能够相互分离。
<落座单元的构成>
如图7所示，落座单元4具有：基座主体61；左右一对的鞍座臂62L、62R；左右一对的鞍座63L、63R。基座主体61通过上部框架21的上部开口部27而配置在上部内部空间26C内，其上壁将上部开口部27封闭。基座主体61在下部具有沿前后方向延伸设置的支承轴65。
在支承轴65上枢轴支承有左右一对的鞍座臂62L、62R的基端部66L、66R。各鞍座臂62L、62R从基端部66L、66R通过上部框架21的鞍座安装孔28并延伸出，其前端部67L、67R位于上部框架21的外部。左鞍座臂62L能够从其前端部67L相对于基端部66L位于下方、即位于鞍座收纳部24内的收纳位置相对于基端部66L向位于大致左方的使用位置(展开位置)转动。同样地，右鞍座臂62R能够从其前端部67R相对于基端部66R位于大致下方的收纳位置相对于基端部66R向位于大致右方的使用位置(展开位置)转动。左右的鞍座臂62L、62R分别在使用位置分别形成为向下凸出地弯曲的形状。
各鞍座臂62L、62R经由未图示的连杆机构相互连结，因而连动地转动使得一方位于收纳位置时另一方也位于收纳位置并且一方位于使用位置时另一方也位于使用位置。另外，基座主体61具有未图示的锁定机构。锁定机构，在各鞍座臂62L、62R位于收纳位置或使用位置的状态下，选择性地与设在各鞍座臂62L、62R上的卡合孔卡合而将各鞍座臂62L、62R保持在收纳位置或使用位置。
在各鞍座臂62L、62R的前端部67L、67R上分别设有鞍座63L、63R。各鞍座63L、63R具有：与前端部67L、67R连结的支承部69L、69R；安装在支承部69L、69R上的圆盘状的坐垫部70L、70R。坐垫部70L、70R的一侧面安装在支承部69L、69R上，另一侧面形成落座面。在鞍座臂62L、62R位于使用位置的状态下，坐垫部70L、70R配置在支承部69L、69R的上方，落座面朝向上方。在坐垫部70L、70R的落座面上载置搭乘者(落座者)的左右的臀部以及大腿部。这样，搭乘者的载重经由鞍座63L、63R、鞍座臂62L、62R、基座主体61而施加在上部框架21上。
在鞍座臂62L、62R位于收纳位置的状态下，鞍座63L、63R的支承部69L、69R位于鞍座收纳部24内，坐垫部70L、70R的落座面朝向左方外方或右方外方，并将鞍座收纳部24封闭。
在形成基座主体61的上表面的上壁上，设有供操作者支承移动体1的收纳式把手71。把手71在不使用时被收纳在凹陷设于基座主体61的上壁的把手收纳部72中，从而成为图2的实线所示的状态。另一方面，如图2中的双点划线所示，把手71在使用时通过使前后的脚部71A向上方滑动而突出到基座主体61的上方。操作者握持把手71，能够提起并搬运移动体1，还能够支承运转停止中的移动体1而防止其倾倒。
<行驶单元的结构>
如图8以及图9所示，行驶单元3具有：作为支承部件的左右一对的装配部件81L、81R；分别安装在左右一对的装配部件81L、81R上的左右一对的电动马达82L、82R；将电动马达82L、82R的输出减速并传递的作为减速装置的谐波齿轮装置(harmonic drive gearing)83L、83R；经由谐波齿轮装置83L、83R而分别通过电动马达82L、82R进行旋转的驱动体84L、84R；通过左右的驱动体84L、84R进行旋转的主轮85。由于装配部件81L、81R、电动马达82L、82R、谐波齿轮装置83L、83R为左右对称形，所以，对左方的结构进行说明，对于右方的结构省略说明。此外，驱动体84L、84R，由于一部分结构在左右不同，所以，关于同一结构省略右侧的说明，仅关于不同结构也对右侧进行说明。
如图8所示，装配部件81L为一端具有底部91L而另一端开口的圆筒状部件，在开口端具有多个向径向外侧延伸的凸缘部92L。在装配部件81L的底部91L的中心部形成有贯穿孔93L。在装配部件81L的圆筒部的内部配置有电动马达82L。
电动马达82L为无刷DC马达，包括：具有定子线圈(未图示)等的圆筒状的定子外罩95L；被自由旋转地支承在定子外罩95L内并具有永久磁铁且一端向定子外罩95L的外方延伸的转子轴96L。在定子外罩95L的外周部，朝向其径向突出地设有凸缘部97L。凸缘部97L经由垫圈98L被螺栓紧固在装配部件81L的底部91L。由此，在凸缘部97L和底部91L之间形成有空间。这样，电动马达82L以转子轴96L的轴线与装配部件81L的轴线一致的方式被固定在装配部件81L上。转子轴96L通过装配部件81L的贯穿孔93L并向装配部件81L的外部延伸。在转子轴96L的前端设有谐波齿轮装置83L。另外，在转子轴96L的另一端侧设有旋转编码器9L。旋转编码器9L可以为公知的装置，其外壳安装在定子外罩95L上，用于检测转子轴96L的旋转位置。
谐波齿轮装置83L为周知的构造，具有：作为输入部件的波塞(wave plug)101L，具有高刚性且外周形成为椭圆形状；挠性的波轴承(wave bearing)102L，嵌入地安装在波塞101L的外周部；薄壁圆筒形状的挠性的外齿部件103L，嵌入地安装在波轴承102L的外周面、且在外周面上形成有外齿；高刚性且环状的作为输出部件的内齿部件104L，在内周面上形成有与外齿部件103L的外齿啮合的内齿。外齿部件103L的一侧具有凸缘部105L，该凸缘部105L通过装配部件81L的贯穿孔93L并向装配部件81L的圆筒部的内部延伸且向径向外方延伸。凸缘部105L配置在装配部件81L的底部91L和电动马达82L的凸缘部97L之间。波塞101L与转子轴96L同轴地连结，通过转子轴96L，波塞101L进行旋转，由此，使内齿部件104L以被减速了的旋转速度旋转。内齿部件104L连结在后述的驱动体84L的驱动盘121L上。
如图8～图9所示，驱动体84L具有：驱动盘121L；被支承在驱动盘121L上的多个驱动辊122L。驱动盘121L为圆盘状部件，具有：在其旋转中心具有贯穿孔133L的圆板部123L；在从圆板部123L的外周部到圆板部123L的旋转轴方向的一侧并在全圆周方向范围内突出设置的大径环部124L；从圆板部123L到圆板部123L的旋转轴方向的另一侧与旋转轴同轴地突出设置的小径环部125L。驱动盘121L的大径环部124L的内径与装配部件81L的圆筒部相比形成为大径。
大径环部124L在圆圆周方向上以等间隔具有多个通过辊轴126L被能够旋转地支承的驱动辊122L。驱动辊122L由金属或硬质塑料等高刚性材料构成。
各驱动辊122L的各旋转面相对于驱动盘121L的轴线(旋转中心)以既不正交也不平行的方式配置，且各旋转面被配置成以驱动盘121L的轴线为旋转中心的旋转对称。驱动辊122L相对于驱动盘121L的位置关系与齿部相对于斜齿锥齿轮的位置关系近似。若需要更详细的说明，请参照国际公开2008/139740号小册子。调整辊轴126L的位置，使得驱动辊122L的外周部从大径环部124L的外周面向外方突出。
这里，在右驱动盘121R和左驱动盘121L中，小径环部125L、125R的构造不同。右驱动盘121R的小径环部125R的内径比左驱动盘121L的小径环部125L的外径形成得大。右驱动盘121R的其他结构与左驱动盘121L的结构相同。
驱动盘121L在大径环部124L的内周部，经由交叉辊轴承135L被自由旋转地支承在装配部件81L的圆筒部的外周部。在该状态下，驱动盘121L的轴线(旋转轴)与装配部件81L的轴线同轴。交叉辊轴承135L是能够支承径向负荷和轴向负荷(推力负荷)的滚动轴承。交叉辊轴承135L通过分别紧固在驱动盘121L以及装配部件81L上的紧固环137L、138L来进行防松脱。通过该结构，驱动盘121L相对于装配部件81L的相对位置被固定。
在驱动盘121L被支承在装配部件81L上的状态下，成为在驱动盘121L的圆板部123L的贯穿孔133L内配置有谐波齿轮装置83L的状态。而且，谐波齿轮装置83L的内齿部件104L在外周部与驱动盘121L的圆板部123L螺栓紧固在一起。通过以上结构，电动马达82L的输出经由谐波齿轮装置83L被减速后，向驱动盘121L传递。
左右的驱动盘121L、121R各自的小径环部125L、125R经由交叉辊轴承140同轴地设置。交叉辊轴承140嵌装在左驱动盘121L的小径环部125L的外周部，并且嵌装在右驱动盘121R的小径环部125R的内周部。交叉辊轴承140通过分别紧固在左驱动盘121L的小径环部125L以及右驱动盘121R的小径环部125R上的紧固环141、142而防止松脱。通过该结构，左右的驱动盘121L、121R在其轴线方向上的相对位置被相互固定。
通过以上结构，左右的装配部件81L、81R的轴线；左右的电动马达82L、82R的轴线(旋转中心)；左右的谐波齿轮装置83L、83R的旋转中心；左右的驱动盘121L、121R的轴线(旋转中心)全部配置在同轴上。以下，将这些一致的轴线称为行驶单元3的旋转轴线A。
在连结有左右的驱动盘121L、121R的状态(即，左右的驱动体84L、84R组装了的状态)下，左右的驱动辊122L、122R配置在隔开规定距离的位置上，在左右的驱动辊122L、122R之间配置有主轮85。
主轮85包括：由棱柱体构成的圆环形状的环状体161；嵌装在环状体161的外周部的多个内套筒162；经由球轴承163能够旋转地被支承在各内套筒162的外周部上的多个筒状的从动辊164。从动辊164包括：嵌装在球轴承163的外周部的金属制圆筒部164A；硫化并粘接在金属制圆筒部164A的外周面上的橡胶制圆筒部164B。橡胶制圆筒部164B的材质不限于橡胶，也可以为具有挠性的其他树脂材料等。从动辊164的橡胶制圆筒部164B在移动体1的使用状态(行驶状态)下与路面接触。
从动辊164与内套筒162一起在环状体161的环方向(圆周方向)设置有多个，并形成主轮85的外端面。另外，各从动辊164能够围绕与自身的配置位置处的环状体161的切线方向平行的旋转轴旋转。将该从动辊164的围绕与环状体161的切线方向平行的旋转轴进行的旋转称为自转。在相邻的从动辊164之间安装有圆盘状的罩166，从而能够防止异物被咬入球轴承163中。
由从动辊164形成的主轮85的内径设定成小于由驱动辊122L、122R形成的驱动体84L、84R的外径。另一方面，主轮85的外径形成得比驱动体84L、84R的外径大。这里，主轮85的外径以及内径相对于将各从动辊164彼此之间连结成的假想线而被确定。同样地，驱动体84L、84R的外径相对于将各驱动辊122L、122L彼此之间连结成的假想线而被确定。通过夹装主轮85地组合左右的驱动体84L、84R，主轮85被夹持在左右的驱动体84L、84R之间。
在主轮85被组装在左右的驱动体84L、84R上的状态下，从动辊164的橡胶制圆筒部164B的外周面与左右的驱动辊122L、122R的外周面接触，通过摩擦，驱动盘121L、121R的旋转力(推进力)经由驱动辊122L、122R向从动辊164传递。
从动辊164和左右的驱动辊122L、122R的个数上的关系设定为，至少左右一组的驱动辊122L、122R与最下部分中与路面接触的各从动辊164接触。由此，驱动盘121L、121R的旋转力经由驱动辊122L、122R而被施加到与路面接触的各从动辊164上。
关于本实施方式的行驶单元3，在通过左右的电动马达82L、82R而使左右的驱动盘121L、121R的旋转方向或(以及)旋转速度彼此不同时，与基于左右的驱动盘121L、121R的旋转力所产生的圆周(切线)方向的力正交方向的分力通过驱动辊122L、122R而作用在左右的驱动辊122L、122R与从动辊164的接触面上。由于该分力，从动辊164围绕自身的中心轴线旋转(自转)。
该从动辊164的旋转由左右的驱动盘121L、121R的旋转速度差来确定。例如，当使左右的驱动盘121L、121R相互以同一速度逆向旋转时，从动辊164不沿主轮85的圆周方向旋转(公转)，仅产生从动辊164的自转。即，使主轮85产生左右方向的驱动力(推进力)。
与之相对，在左右的驱动盘121L、121R的旋转方向以及旋转速度相同的情况下，从动辊164不自转而沿主轮85的圆周方向旋转，从而主轮85旋转。即，使主轮85产生前后方向的驱动力(推进力)。将该从动辊164的向主轮85的圆周方向的旋转(围绕主轮85的轮中心的旋转)称为公转。
如以上所述，将从动辊164的自转以及公转以任意比例组合，由此，能够使行驶单元3在前后左右的任意方向上产生驱动力。
接下来，对行驶单元3向下部框架22的固定构造进行说明。如图4所示，以轴线A与左右方向平行的方式将行驶单元3的上半部配置在下部框架22的收容空间35的内部。在该状态下，如图8所示，行驶单元3的左右装配部件81L、81R的凸缘部92L、92R与下部框架22的左右的侧壁33中的切缺部36的周缘部以及突片37的内侧面抵接。
如图4以及图8所示，在下部框架22的左右侧壁33各自的外部设有左右的踏板基座180L、180R。各踏板基座180L、180R由金属材料形成并呈环形状，形成为沿切缺部36的周缘部以及两片突片37的形状。在左右的装配部件81L、81R的凸缘部92L、92R的适当位置形成有螺栓孔，在切缺部36的周缘部、两片突片37、以及踏板基座180L、180R的与螺栓孔对应的适当位置形成有贯穿孔。踏板基座180L、180R和行驶单元3的左右的装配部件81L、81R的凸缘部92L、92R在夹装切缺部36的周缘部以及两片突片37的状态下被螺栓紧固。由此，踏板基座180L、180R以及行驶单元3被固定在下部框架22上。
如图8所示，各踏板基座180L、180R的下部的内侧面通过形成在两片突片37之间的空间而与装配部件81L、81R抵接。另一方面，从各踏板基座180L、180R的下部的外侧面形成有向左右方向突出且向下方垂下的舌片状的突出部181L、181R。突出部181L、181R发挥散热板的作用，由行驶单元3的电动马达82L、82R产生的热经由装配部件81L和81R向踏板基座180L、180R传递，主要从突出部181L、181R向外部散热。
在各突出部181L、181R上能够转动地支承踏板183L、183R。各踏板183L、183R在基端部具有沿大致前后方向延伸的转动轴并被支承在各突出部181L、181R上，且各踏板183L、183R能够在收纳位置与使用位置之间转动，在收纳位置，各踏板183L、183R的前端部位于基端部的大致上方且成为大致沿下部框架22的状态；在使用位置，各踏板183L、183R的前端部位于基端部的大致左右方向且成为从下部框架22突出的状态。
如图4所示，在左右的踏板基座180L、180R的外表面上贴附有踏板负荷传感器8。踏板负荷传感器8为公知的应变仪，用于检测在踏板183L、183R上施加有负荷时的踏板基座180L、180R的应变。
如图1～图4所示，在下部框架22的下端部安装有下部罩185，该下部罩185用于遮挡行驶单元3的除了与路面接触的接地部位以外的下半部。另外，在下部框架22的左右的侧壁33的外侧面安装有侧罩186L、186R，该侧罩186L、186R用于遮挡各踏板基座180L、180R但不遮挡各突出部181L、181R以及各踏板183L、183R。
<电装单元的结构>
如图10所示，构成电装单元11的控制单元5、上部负荷传感器6、倾斜传感器7安装在作为骨架的电装安装框架202上而成为一体。在以下的电装单元11的说明中，以电装单元11安装在下部框架22上的状态作为基准，设定前后、左右、上下方向。
电装安装框架202呈大致矩形，是在中央部具有空间的框架部件。如图11所示，电装安装框架202的左右方向的长度以能够架设在下部框架22的左右的支承基座53L、53R之间的方式设定。即，电装安装框架202设定为其周缘部能够载置在左右的支承基座53L、53R上的大小。电装安装框架202具有贯穿孔203，在电装安装框架202被载置于左右的支承基座53L、53R上的状态下，贯穿孔203沿上下方向将与左右的支承基座53L、53R的各内螺纹孔54对应的位置贯穿。
上部负荷传感器6由三轴力传感器构成，能够检测z轴方向(铅直方向)的力以及围绕x轴(前后方向)、y轴(左右方向)的力矩。上部负荷传感器6具有：内置传感器基盘的主体部205、从该主体部205向上方突出的输入轴206。输入轴206形成为圆柱状，被输入要检测的外力。在输入轴206的外周并在从基端到前端的范围内形成有外螺纹槽。主体部201被载置、并被螺纹紧固在电装安装框架上。
在输入轴206的基端部的外周部安装有板状的连结部件基座210。连结部件基座210在中央具有内螺纹孔，并通过使该内螺纹孔与基端部206B的外螺纹槽螺合而被固定在输入轴206上。此外，在连结部件基座210安装在输入轴206的状态下，输入轴206的前端向连结部件基座210的上方突出。
在连结部件基座210的前部螺纹紧固有向前方延伸的第一连接器基座211。在连结部件基座210的后部螺纹紧固有向后方延伸的第二连接器基座212。
在第一连接器基座211上螺纹固定有设在从后述的电源基板242延伸的配线的一端的第一连接器214。另外，在第一连接器基座211上设有向上方突出的柱状的第一导向销215。
在第二连接器基座212上螺纹紧固有设在从后述的控制基板241延伸的配线的一端的第二连接器216。另外，在第二连接器基座212上设有向上方突出的柱状的第二导向销217。
倾斜传感器7为公知的陀螺仪。倾斜传感器7以从电装安装框架202的内部向下部延伸的方式配置，并被螺纹紧固在电装安装框架202上。倾斜传感器7以铅直方向(上下方向)为基准检测相对于铅直方向的倾斜角度。
如图10所示，控制单元5具有：控制基板241；电源基板242；左马达驱动基板243；右马达驱动基板244；I/O接口基板245；送风风扇247。
控制基板241具有构成微型计算机的CPU，是具有用于控制电动马达82L、82R等的控制电路261的基板。控制基板241经由垫圈安装在电装安装框架202的后方。控制基板241以基板面朝向前后方向的方式沿上下方向延伸设置，并从电装安装框架202的后方向下方延伸。
电源基板242是具有电压控制电路262的基板，该电压控制电路262将从电池单元10供给的电源电压转换成规定的电压。电源基板242通过从电装安装框架202的前端部向下方延伸的连结部件251而以沿前后方向及左右方向延伸的方式安装在电装安装框架202的下方。另外，电源基板242的后端经由连结部件252与控制基板241的下端连结。
左马达驱动基板243以及右马达驱动基板244是分别具有用于对电动马达82L、82R进行PWM控制的左或右驱动电路(逆变电路)263、264的基板。左马达驱动基板243经由垫圈与电源基板242平行地安装在电源基板242的下方。右马达驱动基板244经由垫圈与左马达驱动基板243平行地安装在左马达驱动基板243的下方。通过该结构，在电源基板242与左马达驱动基板243之间、和在左马达驱动基板243与右马达驱动基板244之间形成有沿前后方向延伸的通气路。
I/O接口基板245是具有输入接口电路265以及输出接口电路266的基板。I/O接口基板245经由垫圈与控制基板241平行地安装在控制基板241的后方。
送风风扇247为轴流风扇。送风风扇247被紧固在连结部件251的下端，并配置在左马达驱动基板243以及右马达驱动基板244的前方。此时，配置成使送风风扇247的吸入口朝向前方，使排出口朝向后方。
接下来，对电装单元11向下部框架22的固定构造进行说明。如图11所示，在电装安装框架202的各贯穿孔203中安装有具有挠性的橡胶衬套270。橡胶衬套270具有：两端开口的圆筒部；在圆筒部的一端以及另一端朝向径向外方形成的凸缘部。在橡胶衬套270安装于各贯穿孔203中的状态下，橡胶衬套270的各凸缘部覆盖贯穿孔203的上端以及下端的周缘。将安装有橡胶衬套270的电装安装框架202载置在下部框架22的左右的支承基座53L、53R上，并在各橡胶衬套270中贯穿螺栓272，使螺栓272的前端螺合在支承基座53L，53R的各内螺纹孔54中。通过以上那样，电装安装框架202经由橡胶衬套270被支承在支承基座53L、53R上。通过以上的固定构造，来自下部框架22的振动被橡胶衬套270缓冲(遮断)，难以传递到电装单元11。
电装单元11在安装于下部框架22上的状态下位于下部框架22的缩颈部2A内，送风风扇247、左马达驱动基板243、右马达驱动基板244配置在形成于下部框架22的前后的壁34上的通气孔39之间。通过该结构，从前方的通气孔39导入的冷却空气，通过送风风扇247、并通过形成在左马达驱动基板243与右马达驱动基板244之间的通气路，从后方的通气孔39排出。因此，还能够高效地冷却电装单元11中发热量尤其大的左以及右马达驱动基板243、244。另外，由于电装单元11配置在下部框架22的缩颈部2A内，所以，通气孔39之间的流路长度短，能够高效地冷却电装单元11。
<电池单元的结构>
如图5以及图6所示，电池单元10在前后有两个，各电池单元10具有多个电池281和一个电池管理基板282。各电池单元中的多个电池281分别呈圆柱状，分别在圆柱状的侧面相互连结而集合成为一组。各电池管理基板282形成有具有构成微型计算机的CPU和存储器284的电池管理电路285，并与各电池281连结。电池管理电路285进行各电池281的充放电以及选择要使用的电池281。
各电池单元10通过上部框架21的下部开口部25而被分离地插入到上部框架21的前部内部空间26A和后部内部空间26B，且被螺纹紧固在上部框架21的各支承基座51L、51R上的电池托架291从下方支承。
在电池托架291的前部螺纹紧固有向前方延伸的第三连接器基座294。在电池托架291的后部螺纹紧固有向后方延伸的第四连接器基座295。
在第三连接器基座294上螺纹紧固有设在从电池管理基板282延伸的配线的一端的第三连接器297。第三连接器297形成为与第一连接器214相辅的形状而能够与第一连接器214结合。另外，在第三连接器基座294上设有沿上下方向延伸的第一导向孔298。
在第四连接器基座295上螺纹紧固有设在从开关盘40延伸的配线的一端的第四连接器301。第四连接器301形成为与第二连接器216相辅的形状而能够与第二连接器216结合。另外，在第四连接器基座295上设有沿上下方向延伸的第二导向孔302。
<上部构造体和下部构造体的连结构造>
参照图11以及图12说明由上部框架21、落座单元4、电池单元10等构成的上部构造体13和由下部框架22、行驶单元3、电装单元11等构成的下部构造体14的连结构造。在图11的立体图中，为了说明，除去局部结构进行图示。如图11以及图12所示，以使上部框架21的下部开口部25和下部框架22的上部开口部31相对的方式进行配置，在上部构造体13的第一导向孔298中插入下部构造体14的第一导向销215，且在上部构造体13的第二导向孔302中插入下部构造体14的第二导向销217，从而将上部构造体13和下部构造体14组合起来。在该状态下，第一连接器214连结在第三连接器297上，第二连接器216连结在第四连接器301上。由此，上部构造体13和下部构造体14被电连接，在两者之间能够进行电力供给以及控制信号的收发。
另外，上部框架21的连接凹部29的下表面与连结在上部负荷传感器6的输入轴206上的连结部件基座210的上表面抵接，输入轴206的前端部从下方向上方贯穿连接凹部29的连结孔30。在该状态下，使螺母314螺合于输入轴206的前端部，从而使连接凹部29的底部夹持在连结部件基座210和螺母314之间。这样，上部框架21和上部负荷传感器6的输入轴206被连结。此时，划成下部框架22的上部开口部31的周缘部比划成上部框架21的下部开口部25的周缘部稍小径地形成，从而划成上部开口部31的周缘部成为游离地嵌合在划成上部框架21的下部开口部25的周缘部的内侧的状态。
通过以上的连结构造，上部构造体13经由上部负荷传感器6被支承在下部构造体14上。因此，搭乘者落座在落座单元4上后，搭乘者的载重经由上部构造体13被输入到上部负荷传感器6的输入轴206。
<倒立摆控制系统的构成>
如图13所示，控制电路261经由输入接口电路265被输入来自上部负荷传感器6、倾斜传感器7、踏板负荷传感器8、旋转编码器9L、9R、电池管理电路285的存储器284的信号。控制电路261是进行倒立摆控制的电路，基于输入的各种信号，生成驱动左驱动电路263以及右驱动电路264的PWM信号，以使移动体1维持在倒立状态。
上部负荷传感器6将与输入到输入轴206的负荷相应的信号向控制电路261输出。踏板负荷传感器8将与施加在踏板183L、183R上的负荷相应的信号向控制电路261输出。倾斜传感器7将与自身相对于规定基准线的倾斜度相应的信号向控制电路261输出。左右的旋转编码器9L、9R将与转子轴96L、97R的旋转位置相应的信号向控制电路261输出。电池管理电路285的存储器284存储有后述的基准角数据，并将基准角数据向控制电路261输出。
控制电路261基于来自上部负荷传感器6的信号算出被输入到输入轴206的负荷，并将算出的负荷与规定阈值进行比较，判断搭乘者是否落座在落座单元4上。另外，控制电路261基于来自踏板负荷传感器8的信号算出施加在踏板183L、183R上的负荷，并将算出的负荷与规定阈值进行比较，判断搭乘者是否将脚放置在踏板183L、183R上。
控制电路261基于是否落座在落座单元4上的判定结果、和是否将脚放置在踏板183L、183R上的判定结果来判定移动体1上有无搭乘者以及搭乘者的搭乘姿势。在本实施方式的移动体1中，如图14所示，搭乘者能够采用以下姿势：以落座在落座单元4上搭乘的落座搭乘姿势(图中A)；在左右的踏板183L、183R上站立并以通过膝部以及大腿部夹持处于收纳位置的落座单元4的坐垫部的方式搭乘的站立搭乘姿势。在判定为没有落座在落座单元4上、且判定为在踏板183L、183R上没有放置脚的情况下，判定为移动体1上没有搭乘者(非搭乘状态)。在判定为落座在落座单元4上的情况下，判定为搭乘者以落座搭乘姿势搭乘在移动体1上(落座搭乘状态)。在判定为没有落座在落座单元4上、但判定为在踏板183L、183R上放置有脚的情况下，判定为搭乘者以站立搭乘姿势搭乘在移动体1上(站立搭乘状态)。
控制电路261基于来自旋转编码器9L、9R的信号算出左右的电动马达82L、82R的旋转速度，并用于左右的电动马达82L、82R的驱动控制。
控制电路261基于来自倾斜传感器7的信号并通过规定的运算处理算出由下部构造体14的轴线B和铅直轴线C所成的角度即倾斜角θ。如图3以及图15A所示，下部构造体14的轴线B是沿下部框架22的长轴(即，沿上下方向延伸的线)的线。若假定以前后方向作为x轴、左右方向作为y轴、铅直方向作为z轴的xyz坐标系，则倾斜角θ由向x轴方向的倾斜角即x成分θx和向y轴方向的倾斜角即y成分θy表示。
控制电路261基于倾斜角θ进行倒立摆控制。在倒立摆控制中，使倾斜角θ与控制目标值即基准角θt一致，以使包括移动体1整体以及搭乘者在内的重心位于行驶单元3(主轮85)的接地点的大致正上方。由于包括移动体1整体以及搭乘者在内的重心位置会根据有无搭乘者以及搭乘姿势发生变化，所以，基准角θt在移动体1的非搭乘状态、落座搭乘状态、站立搭乘状态的各状态下被设定。
如图15A所示，本实施方式的移动体1，在非搭乘状态下，由于上部构造体13以及下部构造体14在前后方向以及左右方向呈大致对称形状，所以，上部构造体13的重心Gu、下部构造体14的重心GL、以及移动体1整体的重心G1大致配置在轴线B上。因此，下部构造体14的轴线B与铅直轴线C大致一致，处于非搭乘状态的基准角θ1被设定成大致0°。图中的G表示地面。
如图15B所示，在落座搭乘状态下，腿部向前方弯曲地搭乘的搭乘者H的重心GH由于与轴线B相比位于前方，所以，包括移动体1整体以及搭乘者H在内的重心G2与轴线B相比配置在前方。因此，为了使重心G2位于行驶单元3的接地点的大致正上方，设定使轴线B向后方侧倾斜的基准角θ2。此外，搭乘者H以及移动体1由于沿左右方向大致对称，所以，倾斜角θ2的y成分θy2为0。
虽省略图示，但在站立搭乘状态下也同样，为了使处于站立状态的搭乘者和移动体1整体的重心G3位于行驶单元3的接地点的大致正上方，设定基准角θ3。此外，基准角θ3的y成分θy3为0。
控制电路261生成用于控制左驱动电路263以及右驱动电路264的PWM信号，以使倾斜角θ与基准角θ1～θ3一致。左驱动电路253以及右驱动电路254根据PWM信号向左右的电动马达82L、82R供电，并驱动左右的电动马达82L、82R。
通过以上的结构，移动体1通过倒立摆控制而被维持在轴线B与基准角θ1～θ3一致的倒立状态。移动体1的行驶操作通过搭乘者的体重移动进行。搭乘者向想要前进的方向进行体重移动，由此，轴线B也向想要前进的方向倾倒。这样，控制电路261以使倾斜角θ与各搭乘状态所对应的基准角θ2、θ3一致的方式驱动行驶单元3，其结果为，移动体1向搭乘者想要前进的方向移动。
<实施方式的作用效果>
这样，移动体1能够一边维持直立状态，一边前进后退以及沿左右方向平行移动。在需要转弯运动以产生偏航率的情况下，搭乘者只要以单脚接触地面的状态使移动体1前进，就能够以单脚为中心使移动体1转弯。或者，在扭转身体的同时，使手向外向伸出或拉回等进行改变自身惯性力矩的运动，也能够产生绕接地点的旋转力矩，能够进行转弯运动。但是，在任一情况下，需要进行的操作都存在一些困难，因此需要搭乘者熟练掌握。所以，希望如自行车那样仅通过搭乘者向左右倾倒地使重心移动就能够使移动体1转弯。
该移动体1与其他所有刚体同样地具有三根惯性主轴。该情况下，移动体1的惯性主轴可以为不包含搭乘者的状态下的移动体1的惯性主轴(或者，这里所说的惯性主轴也可以为包含搭乘者在内的状态下的移动体1的惯性主轴。)。本实施例的移动体具有比较单纯的形状，其三根惯性主轴通过重心并在左右、前后以及上下延伸。另外，该移动体1的左右以及前后宽度较小，上下长度较大。因此，围绕沿大致上下方向延伸的惯性主轴的惯性二次力矩比围绕其他主轴的惯性二次力矩小。本实施例中，该最小惯性主轴与下部构造体的轴线B一致(但是，几何学上的轴线不一定与惯性主轴一致。)。另外，在移动体1运转时，轴线B相对于铅直轴线C向后方侧以基准角θ2倾斜。
因此，如图16所示，轴线B与地面的交点P，相对于主轮85的接地点Q，以轨迹量L位于前方。在该状态下，当搭乘者使重心向左右移动而使移动体1向左右某个方向倾斜时，由于控制电路261的作用，移动体1欲复原到直立方向，但在移动体1上作用有围绕惯性主轴B的旋转力矩M，从而产生某种程度上围绕惯性主轴B旋转的倾向。其结果为，相对于行进方向，连结轴线B与地面的交点P和主轮85的接地点Q而成的线相对于行进方向R倾斜，成为如转舵那样的状态，由此移动体1向对应的方向旋转。特别是，移动体1由于容易围绕惯性二次力矩最小的旋转中心轴线即最小惯性主轴B旋转，所以，容易发生转弯运动。
在图示的实施例中，马达和电池的质量大，而且，以使电池的重心与移动体整体的重心相比位于上方且后方的方式配置电池，以使马达的重心与移动体整体的重心相比位于下方且前方的方式配置马达，所以，与其他惯性主轴相比，能够使围绕最小惯性主轴B的惯性二次力矩极小，相应地，能够容易且良好地使移动体进行旋转。
图17表示本发明的倒立摆型移动体的第二实施例。在图17中，对于与上述实施例对应的部分标注同样的附图标记，省略其详细说明。该倒立摆型移动体具有柱状的框架150。在框架150的下部设有与第一实施例同样的行驶单元3。与第一实施例的情况同样地，在行驶单元3上设有主轮85，该主轮85通过沿圆周方向旋转而产生前后方向的驱动力。在主轮85上设有从动辊164，该从动辊164通过围绕主轮85的环状轴线旋转而产生左右方向的驱动力。能够利用与第一实施例的情况同样的驱动机构以及控制装置来驱动、控制这两部分，从而使移动体自立，且向所希望的方向行驶。
从框架150的左右的下端向前方延伸有一对臂184，在一对臂184的前端之间设有踏板183。在图示的实施例中，踏板183由固定的结构构成，但为了谋求运输或收纳时的方便，也可以使踏板183能够经由臂184向上方弹起，或者能够将踏板183拆下。总之，将踏板183配置在前方位置，所以，能够使移动体的惯性主轴更可靠地后倾。在框架150的上部前侧经由向前方延伸的鞍座臂151安装有鞍座152。
搭乘者以使背部朝向框架150的状态落座在鞍座152上。与第一实施例同样地，当搭乘者向前后左右进行体重移动时，移动体以与体重移动量相应的速度向对应的方向行驶。该实施例的情况下，在该状态下，虽能够自由地进行平行移动，但想要进行转弯运动还是存在困难的。因此，使大致沿框架150的轴线方向延伸的最小惯性主轴相对于铅直方向后倾。因此，当搭乘者向左右方向进行体重移动而使移动体倾斜时，产生围绕最小惯性主轴的旋转，从而能够使移动体向所希望的方向转弯。
图18表示本发明的倒立摆型移动体的第三实施例。图18中，对与上述实施例对应的部分标注同样的附图标记，并省略其详细说明。在本实施方式的倒立摆型移动体中，在下方开口的箱状的框架191内固定配置有与上述实施例同样的行驶单元3，行驶单元3的主轮85与行驶面G接触。行驶单元3被框架191大致覆盖，但主轮85的下部区域从框架191的下方开口部193向下方露出。
该情况下，用于驱动行驶单元3的一对马达195与主轮85不位于同轴的位置，而是安装在与框架191的前表面相比向后方延伸的马达臂196的游端上，马达195和行驶单元3之间的动力传递，通过一对环状带197进行。
从框架191的上端向斜后方延伸出框架延伸部195，从框架延伸部195的上部前表面，经由向前方延伸的鞍座臂151安装有鞍座152。而且，从框架191的前表面的下端设有经由一对臂184向前方延伸的踏板183。
由此，移动体通过行驶单元3向全方向被驱动，能够向前后左右任意的方向移动。该情况下，重量较大的马达195设在框架191的下部前方位置，重量同样较大的电池设在后倾的框架延伸部195的上部后方位置，所以，能够可靠地使惯性主轴后倾。
该情况下，搭乘者以使背部朝向框架延伸部195的状态落座在鞍座152上。与第一或第二实施例同样地，搭乘者向前后左右进行体重移动时，移动体以与体重移动量相应的速度向对应的方向行驶。在该实施例的情况下，在该状态下，虽能够自由地进行平行移动，但想要进行转弯运动还是存在困难的。因此，使沿大致框架延伸部195的轴线方向延伸的最小惯性主轴相对于铅直方向后倾。因此，当搭乘者向左右方向进行体重移动而使移动体倾斜时，产生围绕最小惯性主轴的旋转，从而能够使移动体向所希望的方向转弯。
以上结束具体实施方式的说明，但本发明并不限于上述实施方式，能够大范围地变形实施。
附图标记的说明
1…倒立摆型移动体，2、150…框架，3…行驶单元，4…落座单元，5…控制单元，5…倒立摆控制单元(倒立摆控制部)，6…负荷传感器，7…倾斜传感器(倾斜角检测机构)，10…电池单元，11…电装单元，13…上部构造体，14…下部构造体，21…上部框架，22…下部框架，24…鞍座收纳部，29…连接凹部，36…切缺部，63L、68R，152…鞍座，82L、82R…电动马达，84L、84R…驱动体，85…主轮，121L、121R…驱动盘，122L、122R…驱动辊，161…环状体，164…从动辊，180L、180R…踏板基座，183L、183R…踏板，261…控制电路，263…左驱动电路，264…右驱动电路，265…输入接口电路，266…输出接口电路，281…电池，285…电池管理电路

Claims (5)

1.一种倒立摆型移动体，其特征在于，具有：
基体，具有驱动装置；
至少一个的主轮，设在所述基体下部、且被所述驱动装置在圆周方向上驱动；
搭乘部，用于支承搭乘体，且设在所述基体上；
前后方向控制装置，根据该移动体的状态控制施加在所述主轮上的圆周方向驱动力而使该移动体以直立状态保持、行驶，
使该移动体的大致上下方向的惯性主轴相对于铅直方向向后方倾斜。
2.如权利要求1所述的倒立摆型移动体，其特征在于，还具有：从动辊，其以围绕所述主轮的圆周方向轴线旋转的方式设在所述主轮上、且被所述驱动装置向其旋转方向驱动；左右方向控制装置，其根据该移动体的状态控制施加在所述从动辊上的旋转方向驱动力，并用于将该移动体保持在直立状态。
3.如权利要求1或2所述的倒立摆型移动体，其特征在于，所述惯性主轴为最小惯性主轴。
4.如权利要求1～3的任一项所述的倒立摆型移动体，其特征在于，还具有用于向所述驱动装置供电的电池，以使所述电池的重心与该移动体整体的重心相比位于上方及后方的方式配置所述电池。
5.如权利要求1～4的任一项所述的倒立摆型移动体，其特征在于，所述驱动装置具有马达，以使所述马达的重心与该移动体整体的重心相比位于下方及前方的方式配置所述马达。
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