CN104417686B - 倒立二轮装置 - Google Patents

Abstract

一种倒立二轮装置(1，201)，包括：马达(22)，该马达驱动车轮(21)；角速度控制单元(51)，该角速度控制单元生成用于控制所述马达(22)的角速度的目标角速度(ω*)；角速度检测单元(23)，该角速度检测单元检测所述马达(22)的检测角速度(ω)；以及停止控制单元(53，55，253，255)，如果所述目标角速度(ω*)与检测角速度(ω)之间的差(Δω)等于或大于角速度阈值(Δω1)，则该停止控制单元抑制所述马达(22)的旋转。

Description

倒立二轮装置

引置条款

在2013年8月28日提交的包括说明书、附图和摘要的日本专利申请No.2013-176425的公开的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种倒立二轮装置。

背景技术

已知一种在维持倒立状态时行驶的倒立二轮装置。

例如，WO2011/108029公开了一种倒立二轮装置，该倒立二轮装置包括：马达，该马达驱动车轮；驱动单元，该驱动单元生成力矩命令值，用于控制由马达的驱动而生成的力矩；以及姿势检测设备，该姿势检测设备检测倒立二轮装置的姿势信息。

顺便提及，将要搭乘倒立二轮装置的搭乘者有时候使装置过多地倾斜到搭乘者侧。这使得在WO2011/108029中公开的倒立二轮装置朝着搭乘者行驶，以维持倒立状态。这种行驶有时候使倒立二轮装置与搭乘者的脚进行接触并且持续推挤搭乘者的脚。

发明内容

本发明提供了一种倒立二轮装置，即使将要搭乘该倒立二轮装置的搭乘者使该装置过多地倾斜到搭乘者侧，该倒立二轮装置也不持续推挤搭乘者的脚。

本发明的第一方面涉及一种倒立二轮装置。一种倒立二轮装置，包括：马达，该马达驱动车轮；角速度控制单元，该角速度控制单元生成用于控制所述马达的角速度的目标角速度；角速度检测单元，该角速度检测单元检测所述马达的检测角速度；以及停止控制单元，如果所述目标角速度与所述检测角速度之间的差等于或大于角速度阈值，则该停止控制单元抑制所述马达的旋转。

根据上述方面，即使将要搭乘该装置的搭乘者使该装置过多地倾斜到搭乘者侧，该倒立二轮装置也不持续推挤搭乘者的脚。

上述方面中的倒立二轮装置可以还包括：踏上平台开始检测单元，该踏上平台开始检测单元检测搭乘者的踏上平台动作的开始；和踏上平台完成检测单元，该踏上平台完成检测单元检测所述搭乘者的踏上平台动作的完成。所述停止控制单元可以从检测到所述搭乘者的踏上平台动作开始的时间到检测到所述搭乘者的踏上平台动作完成的时间被执行。

上述方面中的倒立二轮装置可以还包括：第一台阶，该第一台阶支持所述搭乘者的一只脚；第二台阶，该第二台阶支持所述搭乘者的另一只脚；载重传感器，该载重传感器检测载重信息。所述踏上平台开始检测单元可以基于指示载重放置在所述第一台阶和所述第二台阶中的仅一个台阶上的载重信息，判定所述搭乘者的踏上平台动作的开始。所述踏上平台完成检测单元可以基于指示载重放置在所述第一台阶和所述第二台阶二者上的载重信息，判定所述搭乘者的踏上平台动作的完成。

另一方面，本发明的第二方面涉及一种倒立二轮装置。一种倒立二轮装置，包括：马达，该马达驱动车轮；力矩传感器，该力矩传感器检测所述马达的检测力矩；以及停止控制单元，该停止控制单元对所述检测力矩进行微分，从而计算检测力矩微分值，并且，如果所述检测力矩微分值等于或大于力矩微分值阈值，则抑制所述马达的旋转。

根据上述方面，即使将要搭乘该装置的搭乘者使该装置过多地倾斜到搭乘者侧，该倒立二轮装置也不持续推挤搭乘者的脚。

上述方面中的倒立二轮装置可以还包括：踏上平台开始检测单元，该踏上平台开始检测单元检测搭乘者的踏上平台动作的开始；和踏上平台完成检测单元，该踏上平台完成检测单元检测所述搭乘者的踏上平台动作的完成。所述停止控制单元可以从检测到所述搭乘者的踏上平台动作开始的时间到检测到所述搭乘者的踏上平台动作完成的时间被执行。

上述方面中的倒立二轮装置可以还包括：第一台阶，该第一台阶支持所述搭乘者的一只脚；第二台阶，该第二台阶支持所述搭乘者的另一只脚；载重传感器，该载重传感器检测载重信息。所述踏上平台开始检测单元可以基于指示载重放置在所述第一台阶和所述第二台阶中的仅一个台阶上的载重信息，判定所述搭乘者的踏上平台动作的开始。所述踏上平台完成检测单元可以基于指示载重放置在所述第一台阶和所述第二台阶二者上的载重信息，判定所述搭乘者的踏上平台动作的完成。

即使将要搭乘该装置的搭乘者使该装置过多地倾斜到搭乘者侧，上述方面中的倒立二轮装置也不持续推挤搭乘者的脚。

附图说明

下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业重要性，其中，相同的标号表示相同的元件，并且其中：

图1是本发明的第一实施例中的倒立二轮装置的侧视图；

图2是本发明的第一实施例中的倒立二轮装置的构造图；

图3是示出本发明的第一实施例中的控制方法的流程图；

图4A至4G是示出本发明的第一实施例中的控制方法的示意图；

图5是示出角速度对时间的曲线；

图6是本发明的第二实施例中的倒立二轮装置的构造图；以及

图7是示出本发明的第二实施例中的控制方法的流程图。

具体实施方式

第一实施例

下面参考图1描述第一实施例中的倒立二轮装置。图1是第一实施例中的倒立二轮装置的侧视图。

如图1所示，倒立二轮装置1包括车轮单元2、平台单元3和手柄4。

车轮单元2包括车轮21、马达22和马达旋转角传感器23。马达 22驱动车轮21。马达旋转角传感器23能够检测车轮21的角度。马达旋转角传感器23装备有例如解析器和编码器。马达旋转角传感器23 通过对检测角度求微分来计算角速度ω(参见图2)，并且输出关于角速度ω的信号。

平台单元3包括：台阶31R和31L、姿势角检测传感器32、以及载重传感器33L和33R。设置在车轮单元2的上方的台阶31R是用于支持搭乘者的右脚的支持板。设置在车轮单元2的上方的台阶31L是用于支持搭乘者的左脚的支持板。姿势角检测传感器32是用于检测平台单元3和手柄4的姿势角的传感器。姿势角检测传感器32是诸如陀螺仪传感器或加速度传感器这样的传感器。姿势角检测传感器32对检测姿势角度η进行检测(参见图2)，并且输出关于检测姿势角度η的信号。载重传感器33L检测放置在台阶31L上的载重，并且载重传感器33R检测放置在台阶31R上的载重。载重传感器33L和33R能够检测放置在台阶31R和31L上的载重的重心、俯仰角和侧倾角。载重传感器33L和33R生成关于载重信息m的信号(参见图2)。载重信息m包括关于放置在台阶31L和31R上的载重的大小和重心的信息。载重信息m还可以包括诸如台阶31R和31L的俯仰角和侧倾角这样的信息。

手柄4包括：轴单元41，该轴单元41从平台单元3向上延伸；和把手单元42，该把手单元42支持在轴单元41的顶端处。把手单元 42具有能够被搭乘者的双手把持的形状。把手单元42的形状可以改变，使得搭乘者用他或她的脚来保持该把手部。需要时，轴单元41的长度可以根据把手单元42的形状改变而改变。

接着，将参考图2描述倒立二轮装置的构造。图2是第一实施例中的倒立二轮装置的构造图。

如图2所示，控制单元50包括目标生成单元51、偏差计算单元 52、反馈补偿控制单元53、马达驱动器54和判定单元55。另外，控制单元50可以包括：踏上平台开始检测单元56，该踏上平台开始检测单元56检测搭乘者的踏上平台动作的开始；和踏上平台完成检测单元57，该踏上平台完成检测单元57检测搭乘者的踏上平台动作的完成。控制单元50连接到未示出的电源，并且根据需要，将电流供给到控制单元50。控制单元50包括：操作电路，该操作电路具有中央处理单元 (CPU)；和存储装置，该存储装置具有程序存储器、数据存储器、以及诸如随机访问存储器(RAM)和只读存储器(ROM)这样的其它存储器。

目标生成单元51接收来自载重传感器33R和33L的关于载重信息m的信号。基于载重信息m，目标生成单元51计算目标角速度ω* 和目标姿势角度η*，并且输出关于目标角速度ω*和目标姿势角度η* 的信号。

偏差计算单元52接收来自目标生成单元51的关于目标角速度ω* 和目标姿势角度η*的信号。偏差计算单元52也接收关于来自马达旋转角传感器23的检测角速度ω、和来自姿势角检测传感器32的检测姿势角度η的信号。偏差计算单元52计算目标角速度ω*与检测角速度ω之间的差(偏差角速度Δω)、以及目标姿势角度η*与检测姿势角度η之间的差(偏差姿势角度Δη)，并且输出关于偏差角速度Δω和偏差姿势角度Δη的信号。

反馈补偿控制单元53包括判定单元55。判定单元55判定偏差角速度Δω是等于、高于或低于角速度阈值Δω1。角速度阈值Δω1预先储存在判定单元55中。反馈补偿控制单元53接收关于偏差角速度Δω和偏差姿势角度Δη的信号。反馈补偿控制单元53输出关于目标力矩T*的信号。

如果偏差角速度Δω低于角速度阈值Δω1，则反馈补偿控制单元 53输出关于倒立控制力矩Tt*的信号作为关于目标力矩T*的信号。倒立控制力矩Tt*是用于使得倒立二轮装置1能够在维持倒立状态时基于载重信息m而行驶的力矩值。即，倒立控制力矩Tt*是用于执行倒立控制的力矩值。

另一方面，如果偏差角速度Δω等于或高于角速度阈值Δω1，则反馈补偿控制单元53输出关于停止力矩Ts*的信号作为关于目标力矩 T*的信号。停止力矩Ts*是用于控制马达22的力矩，使得车轮21的旋转停止的力矩值。即，停止力矩Ts*是用于执行停止控制的力矩值。停止力矩Ts*可以是如下力矩值：其方向和大小抑制倒立二轮装置1朝着搭乘者侧行驶。

马达驱动器54接收来自反馈补偿控制单元53的关于目标力矩T* 的信号。马达驱动器54基于关于目标力矩T*的信号将电流供给到马达 22。

马达22接收来自马达驱动器54的电流以驱动车轮21。马达旋转角传感器23检测车轮21的角，计算检测角速度ω，并且将关于检测角速度ω的信号输出到偏差计算单元52。姿势角检测传感器32对检测姿势角度η检测，并且将关于检测姿势角度η的信号输出到偏差计算单元52。

控制方法

接着，将参考图3至5描述用于控制第一实施例中的倒立二轮装置的控制方法。图3是示出第一实施例中的控制方法的流程图。图4A 至4G是示出第一实施例中的控制方法的示意图。并且图5是示出角速度对时间的曲线的图。

如图4A至4C所示，检测踏上平台动作的开始(踏上平台开始检测步骤S1)。更具体地，如图4A所示，搭乘者用双手保持把手单元42。接着，如图4B所示，搭乘者改变倒立二轮装置1的姿势角，使得搭乘者能够容易地将一只脚放在台阶31L和31R中的一个台阶上。例如，搭乘者改变倒立二轮装置1的姿势角，使得轴单元41的纵向保持近似竖直。接着，如图4C所示，台阶31L和31R中的一个台阶支持搭乘者的一只脚，并且检测载重(踏上平台开始检测步骤S1：是)。注意，可以利用踏上平台开始检测单元56来执行该控制方法的踏上平台开始检测步骤S1。更具体地，基于指示载重放置在台阶31L和31R中的一个台阶上的载重信息，踏上平台开始检测单元56可以判定搭乘者已经开始踏上平台动作。

接着，开始倒立控制(倒立控制步骤S2)。另外，马达旋转角传感器23测量检测角速度ω(马达角速度测量步骤S3)，计算检测角速度ω与目标角速度ω*之间的差，并且确认偏差角速度Δω是否高于角速度阈值Δω1(偏差角速度确认步骤S4)。

接着，如图4D所示，当搭乘者朝着搭乘者侧拉动手柄4时，倒立二轮装置倾斜到搭乘者侧。

接着，如图4E所示，倒立控制进行工作以使倒立二轮装置1在维持倒立状态时行驶。更具体地，倒立二轮装置1朝着搭乘者侧行驶以维持倒立状态。

接着，如图4F所示，倒立二轮装置1与搭乘者的脚进行接触，减小了倒立二轮装置1的行驶速度。这使得从时间T1到T2，检测角速度ω与目标角速度ω*大幅偏差，如图5所示。即，偏差角速度Δω增大。当时间到达T2时，偏差角速度Δω变得等于或高于角速度阈值Δω1(偏差角速度确认步骤S4：否)。然后，倒立控制一旦停止，开始停止控制，以使车轮21停止(车轮停止步骤S41)。结果，倒立二轮装置1 不朝着搭乘者侧行驶，而是在保持与搭乘者的脚进行接触时停止，如图4G所示。

接着，当两个载重检测器33L和33R都检测载重时，检测到踏上平台动作的完成(踏上平台完成检测步骤S5)。重复从马达角速度测量步骤S3到偏差角速度确认步骤S4或到车轮停止步骤S41的步骤，直到检测到踏上平台完成。更具体地，当检测到踏上平台动作的完成时，重启倒立控制(倒立控制重启步骤S6)。注意，也可以利用踏上平台完成检测单元57执行该控制方法的踏上平台完成检测步骤S5。更具体地，基于指示载重放置在台阶31L和31R二者上的载重信息，踏上平台完成检测单元57可以判定搭乘者已经完成踏上平台动作。另外，至少偏差角速度确认步骤S4可以利用反馈补偿控制单元53执行。在这种情况下，反馈补偿控制单元53可以从检测到搭乘者的踏上平台动作的开始的时间到检测到搭乘者的踏上平台动作的完成的时间被执行。

最终，当检测到搭乘者已经从平台踏下时(踏下平台检测步骤S7)，所述倒立二轮装置1的控制完成。更具体地，例如，当载重传感器33L 和33R上的载重变得比预定值小或检测不到载重时，判定搭乘者已经从平台踏下。

如上所述，能够在第一实施例中执行倒立控制，从而使得倒立二轮装置1能够在维持倒立状态时行驶。也能够基于偏差角速度Δω的大小在第一实施例中执行停止控制，从而当搭乘者踏上平台时，抑制倒立二轮装置1持续推挤搭乘者的脚。另外，载重传感器33L和33R 能够检测搭乘者的踏上平台动作的开始和完成，适当地执行倒立二轮装置1的停止控制。

第二实施例

接着，将参考图6描述第二实施例中的倒立二轮装置。除了设置了力矩传感器之外，第二实施例中的倒立二轮装置与第一实施例中的倒立二轮装置相似。第二实施例中的构造的其它部件与第一实施例中的构造的其它部件相同，并且因此，将相同的附图标记用于相应的部件。

如图6所示，倒立二轮装置201包括力矩传感器24。力矩传感器 24检测车轮21的检测力矩T。力矩传感器24可以根据供给到马达22 的电流来计算检测力矩T。力矩传感器24将检测力矩T输出到反馈补偿控制单元253。

反馈补偿控制单元253包括判定单元255。判定单元255通过对检测力矩T求微分而计算力矩微分值DT。另外，判定单元255判定计算出的力矩微分值DT是否等于或高于力矩微分值阈值DT1。力矩微分值阈值DT1被预先储存在判定单元255中。反馈补偿控制单元253接收关于偏差角速度Δω和偏差姿势角度Δη的信号。反馈补偿控制单元253输出关于目标力矩T*的信号。

如果力矩微分值DT低于力矩微分值阈值DT1，则反馈补偿控制单元253输出倒立控制力矩Tt*作为目标力矩T*。倒立控制力矩Tt*是用于使得倒立二轮装置1能够在维持倒立状态时基于载重信息行驶的力矩值。

另一方面，如果力矩微分值DT等于或高于力矩微分值阈值DT1，则反馈补偿控制单元253输出停止力矩Ts*作为目标力矩T*。

第二控制方法

接着，将参考图4A-4G、图5和图7描述第二实施例中的第二控制方法。对于与第一实施例中的控制方法的步骤相同的步骤(参见图3)，使用相同的附图标记。

像在上面描述的第一实施例中的控制方法那样，执行踏上平台动作开始检测步骤S1和倒立控制步骤S2。其后，马达旋转角传感器23 测量检测力矩T(力矩测量步骤S3)，并且判定单元255根据检测力矩T 来计算检测力矩微分值DT，并且确认检测力矩微分值DT是否高于力矩微分值阈值DT1(检测力矩微分值确认步骤S4)。

接着，如图4D所示，当搭乘者将手柄4朝着搭乘者侧拉动时，倒立二轮装置201倾斜到搭乘者侧。

接着，如图4E所示，倒立控制进行工作，以使倒立二轮装置201 在保持倒立状态时朝着搭乘者侧行驶。

接着，如图4F所示，倒立二轮装置201与搭乘者的脚进行接触，减小倒立二轮装置201的行驶速度。这使得检测角速度ω与目标角速度ω*大幅偏差，如图5所示。即，偏差角速度Δω增大。当偏差角速度Δω增大时，反馈补偿控制单元253将大力矩值输出到马达驱动器 54作为目标力矩T*(倒立控制力矩Tt*)，从而在保持倒立状态时行驶。在检测力矩微分值DT超过阈值DT1的结果之下，检测力矩T显著增大(检测力矩微分值确认步骤S24：否)。然后，倒立控制一旦停止，输出关于停止力矩Ts*的信号以使车轮停止(车轮停止步骤S241)。结果，倒立二轮装置201不朝着搭乘者侧行驶，而是在保持与搭乘者的脚接触时停止，如图4G所示。

其后，像在第一实施例中的控制方法一样，执行踏上平台完成检测步骤S5到踏下平台检测步骤S7，并且完成倒立二轮装置201的控制。至少偏差角速度确认步骤S24可以利用反馈补偿控制单元253执行。在这种情况下，反馈补偿控制单元253可以从检测到搭乘者的踏上平台动作开始的时间到检测到搭乘者的踏上平台动作完成的时间执行。

根据第二实施例，能够执行倒立控制，以使得倒立二轮装置201 能够在维持倒立状态时行驶。也能够基于检测力矩微分值DT执行停止控制，从而当搭乘者踏上平台时，抑制倒立二轮装置201持续推挤搭乘者的脚。

Claims (4)

1.一种倒立二轮装置(1)，其特征在于，包括：

马达(22)，该马达(22)驱动车轮；

角速度控制单元(51)，该角速度控制单元(51)生成用于控制所述马达的角速度的目标角速度；

角速度检测单元(23)，该角速度检测单元(23)检测所述马达的检测角速度；

停止控制单元(53,55)，当所述倒立二轮装置朝着搭乘所述倒立二轮装置的搭乘者的一侧行驶时，如果所述目标角速度与所述检测角速度之间的差等于或大于角速度阈值，则该停止控制单元(53,55)抑制所述马达的旋转，

踏上平台开始检测单元(56)，该踏上平台开始检测单元(56)检测所述搭乘者的踏上平台动作的开始；以及

踏上平台完成检测单元(57)，该踏上平台完成检测单元(57)检测所述搭乘者的踏上平台动作的完成，

其中，所述停止控制单元从检测到所述搭乘者的踏上平台动作开始的时间到检测到所述搭乘者的踏上平台动作完成的时间被执行。

2.根据权利要求1所述的倒立二轮装置，其特征在于，还包括：

第一台阶(31L)，该第一台阶(31L)支持所述搭乘者的一只脚；

第二台阶(31R)，该第二台阶(31R)支持所述搭乘者的另一只脚；以及

载重传感器(33L,33R)，该载重传感器(33L,33R)检测载重信息，

其中，基于指示载重放置在所述第一台阶和所述第二台阶中的仅一个台阶上的载重信息，所述踏上平台开始检测单元判定所述搭乘者的踏上平台动作的开始，并且

基于指示载重放置在所述第一台阶和所述第二台阶二者上的载重信息，所述踏上平台完成检测单元判定所述搭乘者的踏上平台动作的完成。

3.一种倒立二轮装置(201)，其特征在于，包括：

马达(22)，该马达(22)驱动车轮；

力矩传感器(24)，该力矩传感器(24)检测所述马达的检测力矩；

停止控制单元(253,255)，该停止控制单元(253,255)对所述检测力矩进行微分，从而计算检测力矩微分值，并且，当所述倒立二轮装置朝着搭乘所述倒立二轮装置的搭乘者的一侧行驶时，如果所述检测力矩微分值等于或大于力矩微分值阈值，则抑制所述马达的旋转，

踏上平台开始检测单元(56)，该踏上平台开始检测单元(56)检测所述搭乘者的踏上平台动作的开始；以及

踏上平台完成检测单元(57)，该踏上平台完成检测单元(57)检测所述搭乘者的踏上平台动作的完成，

其中，所述停止控制单元从检测到所述搭乘者的踏上平台动作开始的时间到检测到所述搭乘者的踏上平台动作完成的时间被执行。

4.根据权利要求3所述的倒立二轮装置，其特征在于，还包括：

第一台阶(31L)，该第一台阶(31L)支持所述搭乘者的一只脚；

第二台阶(31R)，该第二台阶(31R)支持所述搭乘者的另一只脚；以及

载重传感器(33L,33R)，该载重传感器(33L,33R)检测载重信息，

其中，基于指示载重放置在所述第一台阶和所述第二台阶中的仅一个台阶上的载重信息，所述踏上平台开始检测单元判定所述搭乘者的踏上平台动作的开始，并且

基于指示载重放置在所述第一台阶和所述第二台阶二者上的载重信息，所述踏上平台完成检测单元判定所述搭乘者的踏上平台动作的完成。