JP2007203965A - 倒立車輪型の走行体 - Google Patents

Abstract

【課題】 倒立車輪型の走行体において、車体を後方に大きく傾斜させないでも急制動することが可能な技術を提供する。
【解決手段】 本発明の倒立車輪型の走行体は、一対の車輪と、一対の車輪を同軸上で回転可能に支持する車台と、車台に対して車輪を回転させる車輪用アクチュエータと、車台に支持されている車体と、車台を倒立させるように、車輪用アクチュエータを制御する倒立制御装置とを備える倒立車輪型の走行体である。その走行体では、車体は車台に対して走行体の進行方向に関して相対的に移動可能に車台に支持されている。その走行体は、車台に対して車体を走行体の進行方向に関して相対的に移動させる姿勢用アクチュエータと、進行している走行体の制動を開始する際に車台に対して車体を走行体の進行方向の逆方向に移動させるように姿勢用アクチュエータを制御する制動姿勢制御装置を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、一対の車輪と、一対の車輪を同軸上で回転可能に支持する車台と、車台に対して車輪を回転させる車輪用アクチュエータと、車台に支持されている車体と、車台を倒立させるように、車輪用アクチュエータを制御する倒立制御装置とを備える倒立車輪型の走行体に関する。

倒立車輪型の走行体は、一対の車輪と、一対の車輪を同軸上で回転できるように支持する車台と、車台に対して車輪を回転させる車輪用アクチュエータと、車台に支持されている車体を備えており、その一例が特許文献１に開示されている。この種の倒立車輪型の走行体は、倒立制御装置を利用し、車輪用アクチュエータを制御して車台が倒立している状態を維持しながら走行する。通常は、車輪の回転角と、車輪の回転角速度と、車台の傾斜角と、車台の傾斜角速度を検出し、その検出結果に基づいて車輪用アクチュエータのトルクを制御することによって、車台が倒立した姿勢を維持し、車体が接地しない結果を実現している。倒立車輪型の走行体は、車台が倒立した姿勢を維持しながら、移動したり静止したり旋回したりすることができる。
なお本明細書では、鉛直方向からの傾き角を角度という。例えば車輪の回転角とは、車輪に固定されて半径方向に伸びている基準線と鉛直線がなす角度をいう。また車台の傾斜角とは、車台に固定されている基準線と鉛直線がなす角度をいう。

倒立車輪型の走行体では、車台と車輪の間でトルクを発生させて車輪を回転させる。車輪が回転することによって、走行体は走行したり旋回したり停止したりする。車輪を回転させると、その反作用によって、車輪から車台へトルクが作用し、車台が傾斜する。倒立車輪型の走行体では、車輪から車台に作用したトルクによって傾斜した車台に作用する重力によるモーメントと、慣性力によるモーメントと、車輪から車台へ作用するトルクが釣り合うようにして、車台を倒立した姿勢に維持する。

例えば停止した状態から走行を開始する場合には、結果として車台が前方へ傾斜するようなトルクが車輪に加えられるように制御する。前方へ傾斜した車台に作用する重力によるモーメントと、慣性力によるモーメントと、車輪から車台へ作用するトルクが釣り合い、車台が倒立姿勢を維持しながら走行体は走行を開始する。

走行している状態から停止する場合には、結果として車台が後方へ傾斜するようなトルクが車輪に加えられるように制御する。後方へ傾斜した車台に作用する重力によるモーメントと、慣性力によるモーメントと、車輪から車台へ作用するトルクが釣り合い、車台が倒立姿勢を維持しながら走行体は走行を停止する。
特開昭６３−３０５０８２号公報

倒立車輪型の走行体では、走行中に急停止したい場合でも急制動することが難しく、制動距離が長くなってしまうという問題がある。急制動すると大きな慣性力が作用することから、車台を後方に大きく傾斜させなければならない。従来の倒立車輪型の走行体では、車台に対して車体（人間が搭乗する搭乗席や、荷物を載置する載置台などが設置されている）が固定されており、急制動のために車台が後方に大きく傾斜すると車体までもが後方に大きく傾斜してしまう。それでは搭乗員の姿勢が不安定になることから急制動することが難しい。人間の代わりに荷物を載置する走行体の場合でも、荷物の姿勢が不安定になってしまう。人間と倒立車輪型の走行体が共存するためには、倒立車輪型の走行体が急制動できることが必要とされている。

本発明は上記課題を解決する。本発明では、倒立車輪型の走行体において、車体を後方に大きく傾斜させないでも急制動することが可能な技術を提供する。

本発明で創作された倒立車輪型の走行体は、一対の車輪と、一対の車輪を同軸上で回転可能に支持する車台と、車台に対して車輪を回転させる車輪用アクチュエータと、車台に支持されている車体と、車台を倒立させるように、車輪用アクチュエータを制御する倒立制御装置とを備えている。その走行体では、車体は車台に対して走行体の進行方向に関して相対的に移動可能に車台に支持されている。その走行体は、車台に対して車体を走行体の進行方向に関して相対的に移動させる姿勢用アクチュエータと、進行している走行体の制動を開始する際に車台に対して車体を走行体の進行方向の逆方向に移動させるように姿勢用アクチュエータを制御する制動姿勢制御装置を備えている。

従来の倒立車輪型の走行体では、一対の車輪を支持する部分と車体が固定されている部分が剛的に一体化されており、全体が車台となっていた。剛体であって姿勢が変えられない車台を用いる限り、急制動時には車台を後方に大きく傾斜させる必要があり、車体までもが後方に大きく傾斜してしまうことが避けられなかった。
本発明の倒立車輪型の走行体では、一対の車輪を支持する車台と、人間が搭乗したり荷物を載置したりする車体が分離されており、姿勢用アクチュエータによって両者の相対的位置関係が可変となっている。すなわち、一対の車輪を支持する車台に対して車体を進行方向と反対側に移動させることによって、車輪に対する重心の位置を進行方向と反対側に移動させることができる。これができると、急制動時に車体を後方に大きく傾斜させる必要がなくなる。車台に対して車体を進行方向と反対側に移動させることによって、車輪に対する重心の位置を進行方向と反対側に移動させることができることから、車台を後方に傾斜させたのと同じ結果が得られるからである。
本発明の倒立車輪型の走行体は、制動開始時に姿勢用アクチュエータを作動させて車台に対して車体を進行方向と反対側に移動させる制動姿勢制御装置を備えているために、車体を後方に大きく傾斜させることなく急制動することができる。搭乗員や荷物の姿勢を不安定にさせないで走行体を急制動することができる。

また本発明の倒立車輪型の走行体では、制動が間に合わずに万が一障害物に衝突してしまう場合でも、制動の開始に伴って車体を後方へ避難させているため、搭乗者や荷物等を危険から回避させることができる。

本発明では、車台に対して車体を進行方向と反対側に移動させた状態で制動することから、車台を後方に傾斜させる角度が小さくてすむ。そのためには、車台に対して車体が進行方向に移動可能であるという１自由度があればよい。
より改善された技術では、制動中にも車体の角度（鉛直線からの角度）が変わらないことが好ましい。すなわち、車台に対して車体が進行方向に移動可能であり、しかも車台に対して車体が進行方向を含む垂直面内で揺動可能であることが好ましい。このためには、車台と車体の間に部材を介在させ、２自由度を確保する。

本発明の一つの改良された走行体は、車体は車台に対して介在部材を介して支持されてている。その介在部材は、車台に対して進行方向を含む垂直面内で揺動可能に接続されているとともに、車体を進行方向に沿ってスライド可能に支持している。その走行体では、姿勢用アクチュエータが、車台に対して介在部材を揺動させる第１アクチュエータと、介在部材に対して車体をスライドさせる第２アクチュエータを備えている。

上記の改良された走行体によると、介在部材の角度（鉛直線からの角度）を変えないで車台に対して車体を進行方向と反対側に移動させることができる。介在部材の角度が変わらなければ、車体はそれにスライドするだけであることから、車体の角度（鉛直線からの角度）も変わらず、車体に搭乗している人間や、車体に搭載している荷物は、制動時に傾斜することがない。上記の改良された走行体によると、車体の角度を一定範囲に保って急制動することができる。

別の構成で、車台と車体の間に２自由度を確保することもできる。本発明の他の一つの改良された走行体は、車体は車台に対して介在部材を介して支持されている。その介在部材は、車台に対して進行方向を含む垂直面内で揺動可能に接続されているとともに、車体を進行方向を含む垂直面内で揺動可能に支持している。その走行体では、姿勢用アクチュエータが、車台に対して介在部材を揺動させる第１アクチュエータと、介在部材に対して車体を揺動させる第２アクチュエータを備えている。

上記の走行体では、車台の傾斜角、車台に対する介在部材の傾斜角、介在部材に対する車体の傾斜角によって、車体の角度が決まる。車台に対する介在部材の傾斜角と介在部材に対する車体の傾斜角を調整することによって、車台に対して車体を進行方向と反対側に移動させた姿勢に調整し、車体の角度を一定範囲に保つことができる。上記の改良された走行体によると、車体の角度を一定範囲に保って急制動することができる。
しかも、この構成によると、車体の角度を一定範囲に保ちながら、車体の高さを変えることができる。人間が搭乗する場合には乗り降りが容易化され、荷物を載置する場合には荷物の積み下ろし作業が容易化される。

車台が剛的である場合、機械的ブレーキを採用して車台に対する車輪の回転を拘束すると、倒立制御装置だけでは車台の倒立を維持するように制御することが難しい。例えば走行中に機械的ブレーキを利用して急制動すると、慣性力によって車台は進行方向に傾斜する。すると倒立制御装置は、転倒を防止するために車輪を加速する制御を行う。機械的ブレーキによって拘束されている車輪を加速する制御を行うために、倒立制御装置だけでは制御不能に陥ってしまう。
しかしながら、本発明では、剛的であった車台と車体を分離して、両者の相対的位置関係をアクチュエータによって制御する方式を採用しているために、車輪と車台の間に機械的ブレーキを設置することが可能となり、倒立制御装置が制御不能に陥ってしまうことがない。車台と車体の間に存在する少なくとも１自由度を活用して制御し続けられるからである。

本発明の改良された走行体では、車輪を車台に対して制動する機械的ブレーキが設置されている。
この走行体では、機械的ブレーキの強い制動力を利用し、車体の角度を一定範囲に保ちながら急制動することができる。

本発明の倒立車輪型の走行体によれば、車体を大きく傾斜させないで急制動することができる。人間と走行体が安全に共存することを可能とする。
車台と車体の間に２自由度を確保すると、車体の角度を積極的に制御することが可能となり、制動中の人間または荷物の姿勢を安定化させることができる。
本発明を利用すると、機械的ブレーキを導入することが可能となり、機械的ブレーキの強い制動力を利用してさらに急制動することができる。

最初に、以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
（形態１） 走行体は、車体に人間が着席可能な搭乗席を備えており、搭乗者を乗せて走行することができる。搭乗者の操作によって制動処理を開始し、制動姿勢制御装置によって姿勢用アクチュエータを作動させて車台に対して車体を進行方向と反対側に移動させる。
（形態２） 走行体は、障害物を検知するセンサを備えており、障害物を検知すると制動処理を開始し、制動姿勢制御装置によって姿勢用アクチュエータを作動させて車台に対して車体を進行方向と反対側に移動させる。
（形態３） 走行体は、制動処理を開始すると、機械的ブレーキによって制動する。

本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施例の走行体１０を側面から見た図であり、図２は走行体１０を正面から見た図である。
走行体１０は、右駆動輪１８と、左駆動輪２０と、車台１６と、介在リンク１４と、車体１２を備えている。
右駆動輪１８と左駆動輪２０は、本発明の一対の車輪に相当する。車台１６は、マウント２８とロッド２６を備えている。マウント２８とロッド２６は、一体的に形成されている。マウント２８は、車軸３０を介して右駆動輪１８を回転可能に支持しており、車軸３２を介して左駆動輪２０を回転可能に支持している。車軸３０と車軸３２は、同一の回転軸Ｃ１上に揃えられている。車台１６は、右駆動輪１８と左駆動輪２０を同軸上に揃えた状態に維持し、右駆動輪１８と左駆動輪２０が独立に回転できるように右駆動輪１８と左駆動輪２０を支持している。介在リンク１４は、ロッド２６の上端に対して回転軸１５によって揺動可能に接続されている。介在リンク１４は、走行体１０の進行方向を含む垂直面（図１の紙面）内で揺動可能である。また介在リンク１４は、車体１２を、走行体１０の進行方向に沿って（図１左右方向）のスライド可能に支持している。車体１２は、一体的に形成された搭乗席２２とハウジング２４を備えている。介在リンク１４は、本発明の介在部材に相当し、車体１２は車台１６に対して介在リンク１４を介して支持されている。

マウント２８には、車軸３０を介して右駆動輪１８をマウント２８に対して回転させる右輪駆動モータ３４と、車軸３２を介して左駆動輪２０をマウント２８に対して回転させる左輪駆動モータ３６が固定されている。右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６は、独立に制御可能である。右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６は、本発明の車輪用アクチュエータに相当する。

走行体１０は、車台１６に対して介在リンク１４を回転軸１５の周りに揺動させる関節駆動モータ３８を備えている。関節駆動モータ３８は、介在リンク１４に搭載されている。関節駆動モータ３８は、本発明の第１アクチュエータに相当する。
走行体１０は、介在リンク１４に対して車体１２を走行体１０の進行方向に沿って前後両方向にスライドさせるリニアモータ４０を備えている。リニアモータ４０は、ハウジング２４に搭載されている。リニアモータ４０は、本発明の第２アクチュエータに相当する。

走行体１０は、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６と関節駆動モータ３８とリニアモータ４０に電力を供給するバッテリモジュール４２と、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６を制御する走行制御モジュール４４と、関節駆動モータ３８とリニアモータ４０の動作を制御する姿勢制御モジュール４５と、走行体１０の搭乗者が操作する操作モジュール４６を備えている。走行制御モジュール４４は、走行体１０の搭乗者が操作モジュール４６に加えた操作に追従して、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６を制御し、走行体１０の走行を制御する。姿勢制御モジュール４５は、関節駆動モータ３８とリニアモータ４０の動作を制御し、車台１６に対する車体１２の相対的位置関係を制御する。走行制御モジュール４４は、本発明の倒立制御装置に相当する。姿勢制御モジュール４５は、本発明の制動姿勢制御装置に相当する。

走行体１０は、車台１６に対する介在リンク１４の揺動角を検出する関節エンコーダ５０と、介在リンク１４に対する車体１２のスライド量を検出する変位計５６と、車体１２の傾斜角速度を検出するジャイロセンサ４８を備えている。車体１２の傾斜角は、走行体１０の進行方向前方に向けて車体１２が傾斜している場合を正とし、走行体１０の進行方向後方に向けて車体１２が傾斜している場合を負とする。また走行体１０は、車台１６に対する右駆動輪１８の回転角を検出する右輪エンコーダ５２と、車台１６に対する左駆動輪２０の回転角を検出する左輪エンコーダ５４を備えている。

図１に示すように、走行体１０は、ハウジング２４に搭載された光学式の障害物検知センサ５８を備えている。障害物検知センサ５８は、走行体１０の前方に障害物を検知すると、検知信号を出力する。

図２に示すように、走行体１０は、マウント２８に搭載された機械式ブレーキ６０、６２を備えている。機械式ブレーキ６０は、通常は右駆動輪１８とは接触しておらず、ブレーキ動作時に右駆動輪１８に接触して、摩擦力によって右駆動輪１８の車台１６に対する回転を拘束する。機械式ブレーキ６２は、通常は左駆動輪２０とは接触しておらず、ブレーキ動作時に左駆動輪２０に接触し、摩擦力によって左駆動輪２０の車台１６に対する回転を拘束する。

操作モジュール４６には、操作レバー（図示されない）とブレーキレバー（図示されない）が設けられている。操作レバーは、搭乗者が走行体１０の走行速度や走行方向を調整するための操作部材である。搭乗者は、操作レバーの操作量を調整することによって走行体１０の走行速度を調整することができる。また搭乗者は、操作レバーの操作方向を調整することによって走行体１０の走行方向を調整することができる。走行体１０は、操作レバーに加えられた操作に応じて、前進、停止、後退、左折、右折、左旋回、右旋回することができる。また搭乗者は、ブレーキレバーを倒すことによって、走行体１０を制動することができる。

図３は走行体１０の機構を模式的に示している。右駆動輪１８、左駆動輪２０は、車台１６の下部に回転可能に連結され、それぞれが路面Ｒに接地している。車台１６の上部に対して介在リンク１４が紙面内で揺動回転可能に連結されている。介在リンク１４に対して車体１２が紙面左右方向にスライド可能に連結されている。

以下の説明では、図３に示すように、右駆動輪１８の基準線１８ａの鉛直線Ｖ１からの回転角をθ１とし、左駆動輪２０の基準線２０ａの鉛直線Ｖ１からの回転角をθ２とし、車台１６の鉛直線Ｖ１からの傾斜角をηとし、介在リンク１４の鉛直線Ｖ１からの傾斜角（すなわち車体１２の鉛直線Ｖ１からの傾斜角に等しい）をσとする。また、右駆動輪１８の車台１６に対する相対的な回転角をΘ１とし、右駆動輪２０の車台１６に対する相対的な回転角をΘ２とし、介在リンク１４の車台１６に対する相対的な回転角をφとし、車体１２の介在リンク１４に対する相対的な変位量をδとする。ここで、幾何学的にΘ１＝θ１＋η、Θ２＝θ２＋η、η＝σ＋φの関係が成り立つ。

次に、走行体１０の制御系について説明する。図４は走行体１０の制御系の構成を示すブロック図である。走行制御モジュール４４と姿勢制御モジュール４５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等によって構成されている。走行制御モジュール４４と姿勢制御モジュール４５は、機能的に、制御部６４と、現在姿勢計算部６６と、目標姿勢設定部６８と、指令値計算部７０を備えている。

制御部６４は、操作モジュール４６や障害物検知センサ５８からの入力に基づいて、現在姿勢計算部６６と目標姿勢設定部６８と指令値計算部７０に処理を実行させる。

現在姿勢計算部６６は、ジャイロセンサ４８、関節エンコーダ５０、右輪エンコーダ５２、左輪エンコーダ５４、変位計５６からの入力に基づいて、走行体１０の現在の姿勢を計算する。現在姿勢計算部６６では、走行体１０の現在の姿勢として、車体１２の介在リンク１４に対する相対変位量δ^＊、相対変位速度ｄδ^＊／ｄｔ、車体１２の傾斜角σ^＊、傾斜角速度ｄσ^＊／ｄｔ、車台１６の傾斜角η^＊、傾斜角速度ｄη^＊／ｄｔ、右駆動輪１８の回転角θ１^＊、回転角速度ｄθ１^＊／ｄｔ、左駆動輪２０の回転角θ２^＊、回転角速度ｄθ２^＊／ｄｔが計算される。なお上記の^＊は、現在値と目標値を区別するために付したものであり、^＊を付したものは現在値を示す。

車体１２と介在リンク１４の相対変位量δ^＊は、変位計５６から出力される。車体１２と介在リンク１４の相対変位速度ｄδ^＊／ｄｔは、相対変位量δ^＊を時間に関して微分することで算出される。
車体１２の傾斜角速度ｄσ^＊／ｄｔは、ジャイロセンサ４８から出力される。車体１２の傾斜角σ^＊は、傾斜角速度ｄσ^＊／ｄｔを時間に関して積分することで算出される。
車台１６の傾斜角η^＊は、車体１２の傾斜角σ^＊と、関節エンコーダ５０から出力される介在リンク１４と車台１６の相対的な回転角φ^＊から、η^＊＝σ^＊＋φ^＊で算出される。車台１６の傾斜角速度ｄη^＊／ｄｔは、傾斜角η^＊を時間に関して微分することで算出される。
右駆動輪１８の傾斜角θ１^＊は、車台１６の傾斜角η^＊と、右輪エンコーダ５２から出力される右駆動輪１８と車台１６の相対的な回転角Θ１^＊から計算される。傾斜角速度ｄθ１^＊／ｄｔは、傾斜角θ１^＊を時間に関して微分することで算出される。
左駆動輪２０の傾斜角θ２^＊は、車台１６の傾斜角η^＊と、左輪エンコーダ５４から入力される左駆動輪２０と車台１６の相対的な回転角Θ２^＊から計算される。傾斜角速度ｄθ２^＊／ｄｔは、傾斜角θ２^＊を時間に関して微分することで算出される。
現在姿勢計算部６６は、上記のように計算された走行体１０の現在の姿勢を、指令値計算部７０へ出力する。

目標姿勢設定部６８は、走行体１０の右駆動輪１８の回転角θ１、回転角速度ｄθ１／ｄｔ、左駆動輪２０の回転角θ２、回転角速度ｄθ２／ｄｔ、車台１６の傾斜角η、傾斜角速度ｄη／ｄｔ、車体１２の傾斜角σ、傾斜角速度ｄσ／ｄｔ、車体１２の相対変位量δ、相対変位速度ｄδ／ｄｔについて、目標とする時系列パターンを設定する。

右駆動輪１８の回転角θ１、回転角速度ｄθ１／ｄｔ、左駆動輪２０の回転角θ２、回転角速度ｄθ２／ｄｔについての目標値は、主に操作モジュール４６の操作状態や、障害物検知センサ５８からの検知信号の有無に基づいて設定される。

車体１２の傾斜角σ、傾斜角速度ｄσ／ｄｔは、所望のパターンで与えることができる。本実施例の走行体１０では、傾斜角σと傾斜角速度ｄσ／ｄｔはそれぞれゼロと設定される。これによって、走行中も車体１２は傾斜することなく、略水平に維持される。なお、傾斜角σと傾斜角速度ｄσ／ｄｔをゼロとすることは、車台１６に対して介在リンク１４を揺動させないことを意味しない。車台１６の傾斜角ηに一致するように、車台１６に対して介在リンク１４を揺動させることによって、車体１２の傾斜角σがゼロに調整される。

目標姿勢設定部６８は、状況に応じて、車体１２と介在リンク１４の相対変位量δおよび相対変位速度ｄδ／ｄｔ、あるいは車台１６の傾斜角ηおよび傾斜角速度ｄη／ｄｔの、いずれか一方の組について、目標とする時系列パターンを設定する。

目標姿勢設定部６８は、走行体１０が走行中に急ブレーキ動作を開始する際には、車体１２と介在リンク１４の相対変位量δおよび相対変位速度ｄδ／ｄｔに関して目標とする時系列パターンを設定する。急ブレーキ動作を開始する際には、介在リンク１４に対して車体１２を後方へ移動させることによって走行体１０の重心を後方に移動させる。これによって、急ブレーキ動作に伴って生じる慣性力とのバランスを図る。目標姿勢設定部６８は、介在リンク１４に対して車体１２が後方へ移動するように、相対変位量δおよび相対変位速度ｄδ／ｄｔを設定する。相対変位量δ、相対変位速度ｄδ／ｄｔの時系列パターンは、予め目標姿勢設定部６８に記憶されている。前記したように、急ブレーキ動作の開始とともに後方への変位量δを増大させ、慣性力の低下にあわせて変位量δを減少させる時系列パターンが記憶されている。

目標姿勢設定部６８は、急ブレーキ動作によって右駆動輪１８と左駆動輪２０の回転角速度が遅くなると、車台１６の傾斜角ηと傾斜角速度ｄη／ｄｔに関して目標値を設定する。右駆動輪１８と左駆動輪２０の回転角速度が遅くなると、車台１６は車軸Ｃ１の周りを進行方向前方に向けて回転しようとする。目標姿勢設定部６８は、車台１６の傾斜角速度ｄη／ｄｔが、右駆動輪１８の回転角速度ｄθ１／ｄｔと左駆動輪１８の回転角速度ｄθ２／ｄｔと一致するように、傾斜角ηと傾斜角速度ｄη／ｄｔの目標値を設定する。

目標姿勢設定部６８から、車体１２の相対変位量δと相対変位速度ｄδ／ｄｔの目標値が入力される場合には、指令値計算部７０は、安定な倒立姿勢を維持することができるように、車台１６の傾斜角ηと傾斜角速度ｄη／ｄｔを計算する。

目標姿勢設定部６８から、車台１６の傾斜角ηと傾斜角速度ｄη／ｄｔの目標値が入力される場合には、指令値計算部７０は、安定な倒立姿勢を維持することができるように、車体１２の相対変位量δと相対変位速度ｄδ／ｄｔを計算する。この場合にも、急ブレーキ動作の開始とともに後方への変位量δを増大させ、慣性力の低下にあわせて変位量δを減少させる時系列パターンが計算される。

指令値計算部７０では、現在姿勢計算部６６から出力される現在の姿勢と、目標姿勢設定部６８から出力される目標とする姿勢に基づいて、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６と関節駆動モータ３８とリニアモータ４０へ指令する値を計算する。指令値の計算には、走行体１０の動力学モデルが利用される。

指令値計算部７０で計算された各モータへの指令値は、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６と関節駆動モータ３８とリニアモータ４０へ入力される。右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６と関節駆動モータ３８とリニアモータ４０は、入力された指令値に応じた出力で駆動する。各モータが駆動することによって、走行体１０は走行、旋回、停止などの動作を行う。また、車台１６に対する車体１２の相対的位置関係を調整する。

走行体１０は、倒立姿勢を維持しながら、走行、旋回、停止することができるように、姿勢を制御される。走行体１０は、停止している間や、一定の速度で走行している間は、重心の位置が車軸Ｃ１の略鉛直上方に位置するように姿勢を調整されており、η、σ、δはそれぞれゼロに近い値に維持される。

以下では図５に示すフローチャートを参照しながら、走行体１０が走行中に急ブレーキ動作を行う場合の処理について説明する。走行体１０は、障害物検知センサ５８によって前方に障害物が検知されると、急ブレーキ動作を開始する。

ステップＳ５０２では、機械式ブレーキ６０、６２を作動させる。機械式ブレーキ６０、６２が作動することで、右駆動輪１８と車台１６の間、ならびに左駆動輪２０と車台１６の間で、回転を拘束するトルクが作用する。
ステップＳ５０４では、右駆動輪１８と左駆動輪２０の回転角θ１、θ２および回転角速度ｄθ１／ｄｔ、ｄθ２／ｄｔについて、目標値を設定する。
ステップＳ５０６では、車体１２の介在リンク１４に対する相対変位量δと相対変位速度ｄδ／ｄｔの目標値を設定する。相対変位量δと相対変位速度ｄδ／ｄｔは、介在リンク１４に対して車体１２を後方側へ移動させるように設定される。相対変位量δと相対変位速度ｄδ／ｄｔの設定は、例えば所定の時系列パターンを予め記憶しておき、記憶されたパターンを読み込むことで行われる。
ステップＳ５０８では、設定された目標値に応じて、各モータへの指令値を計算する。
ステップＳ５１０では、計算された指令値で各モータを駆動する。各モータが駆動することによって、介在リンク１４に対して車体１２が後方へ移動し、走行体１０の倒立姿勢を維持するように傾斜角ηが調整される。このとき、介在リンク１４に対して車体１２が後方へ移動して重心が後方に移動しているために、慣性力にバランスするために必要な後方側への傾斜角ηが小さく抑えられる。車体１２を後方へ移動させない場合に比して、急ブレーキ中に車体１２が後方へ傾斜する角度は小さく抑えられる。

ステップＳ５１２では、右駆動輪１８、左駆動輪２０と車台１６との相対的な回転角速度ｄΘ１／ｄｔ、ｄΘ２／ｄｔが、所定のしきい値以下となったか否かを判断する。ｄΘ１／ｄｔ、ｄΘ２／ｄｔが、いずれもしきい値以下となった場合には、右駆動輪１８と左駆動輪２０の回転が充分に弱まったと判断して、処理はステップＳ５１４へ移行する。ｄΘ１／ｄｔ、ｄΘ２／ｄｔのいずれかがしきい値を超えている場合には、右駆動輪１８と左駆動輪２０の回転がいまだ弱まっていないと判断して、処理はステップＳ５０４へ移行し、ステップＳ５１０までの処理を繰り返し行う。

ステップＳ５１４では、右駆動輪１８と左駆動輪２０の回転角θ１、θ２および回転角速度ｄθ１／ｄｔ、ｄθ２／ｄｔについて、目標値を設定する。
ステップＳ５１６では、車台１６の傾斜角速度ｄη／ｄｔが、右駆動輪１８と左駆動輪２０の回転角速度ｄθ１／ｄｔ、ｄθ２／ｄｔと一致するような傾斜角速度ｄη／ｄｔを設定する。
ステップＳ５１８では、設定された目標値に基づいて、各モータへの指令値を計算する。
ステップＳ５２０では、計算された指令値で各モータを駆動する。各モータを駆動することによって、後方へ傾斜していた車台１６は右駆動輪１８、左駆動輪２０と同調して回転し、垂直上方に持ち上げられる。この際に、走行体１０の倒立姿勢を維持するように相対変位量δが調整される。

ステップＳ５２２では、車台１６の傾斜角ηがゼロとなったか否かを判断する。傾斜角ηがゼロとなった場合、走行体１０の重心は車軸Ｃ１の鉛直上方へ移動し、停止状態となっているため、処理はステップＳ５２４へ移行する。傾斜角ηがゼロとならない場合、走行体１０の重心はいまだ車軸Ｃ１より後方にあり、停止状態とはなっていないため、処理はステップＳ５１４へ移行し、ステップＳ５２０までの処理を繰り替えし行う。
ステップＳ５２４では、機械式ブレーキ６０、６２を解除して、その場で倒立姿勢を維持する停止状態へ移行し、急ブレーキ動作を終了する。

図６に上記した走行体１０の急ブレーキ動作の様子を示す。図６（ａ）に示す走行中の走行体１０は、前方に障害物等が検知されると、図６（ｂ）に示すように、介在リンク１４に対して車体１２を後方に移動させる。また車台１６は、ブレーキに伴って右駆動輪１８と左駆動輪２０から車台１６へ作用するモーメントと、走行体１０に作用する重力モーメントと、慣性力によるモーメントが釣り合うように、車台１６を後方へ傾斜させる。車体１２を介在リンク１４に対して後方に移動させているため、制動に寄与する重力モーメントを増大させ、機械式ブレーキ６０、６２による大きな制動力を働かせることができる。安定な倒立姿勢を維持しながら、短い制動距離で停止することができる。

また本実施例の走行体１０では、急ブレーキ動作を開始する際に、車体１２を後方へ移動させるため、制動を開始してから停止するまでの間に万が一障害物と衝突してしまう場合であっても、搭乗席２２を後方へ避難させておくことで、搭乗者を危険から回避させることができる。

本実施例の走行体１０では、急ブレーキによって右駆動輪１８と左駆動輪２０の回転が弱まると、車台１６を右駆動輪１８と左駆動輪２０と同調して回転させる。これによって、急ブレーキ時に後方へ移動させた走行体１０の重心を、慣性を利用して立ち上がらせることができる。静止した倒立姿勢へ移行するために消費するエネルギーを抑制することができる。

本実施例では、障害物検知センサ５８からの検知信号に応じて急ブレーキ動作を行う場合を説明したが、搭乗者による操作モジュール４６からのブレーキ指示に応じて急ブレーキ動作を行ってもよい。

本実施例では、車体１２に対して介在リンク１４を駆動する手段としてリニアモータ４０を用いる例を説明したが、車体１２に対して介在リンク１４を駆動する手段はこれに限定されない。車体１２に対して介在リンク１４を駆動する手段として、例えばボールねじと通常のモータを併用してもよいし、リニアスライド型のモータ機構を用いてもよい。

本実施例では、右駆動輪１８、左駆動輪２０に対するブレーキとして機械式ブレーキ６０、６２を用いる場合を説明したが、機械式ブレーキ６０、６２の代わりに、電気式ブレーキを用いてもよい。また、機械式ブレーキ６０、６２と、電気式ブレーキの双方を併用してもよい。

本実施例では、車体１２の介在リンク１４に対する相対変位量δ、相対変位速度ｄδ／ｄｔを、予め記憶された所定の時系列パターンに従って設定する例を説明したが、相対変位量δ、相対変位速度ｄδ／ｄｔの設定の仕方はこれに限らない。例えば、フィードフォワード制御によって、車体１２を後方へ移動させてもよい。

本実施例では、車体１２の介在リンク１４に対する相対変位量δを変位計５６を用いて計測する例を説明したが、相対変位量δは例えば状態観測器を用いて推定してもよい。

（第２実施例）
図７を参照しながら、本実施例の走行体１１０について説明する。第１実施例の走行体１０と同様の構成については、同一の参照符号を付して、詳細な説明を省略する。
本実施例の走行体１１０は、車体１２と、介在リンク１１４と、車台１６と、右駆動輪１８と左駆動輪２０を備えている。介在リンク１１４は、車体１２のハウジング２４の下部に、車体１２に対して走行体１１０の進行方向を含む垂直面（図７の紙面）内で揺動可能に連結されている。車台１６のロッド２６の上部は、介在リンク１１４の下部に、介在リンク１１４に対して走行体１１０の進行方向を含む垂直面（図７の紙面）内で揺動可能に連結されている。介在リンク１１４は、本発明の介在部材に相当する。

走行体１１０は、右輪駆動モータ３４と、左輪駆動モータ３６と、車台１６に対して介在リンク１１４を回転軸１１５の周りに揺動させる第１関節駆動モータ１３８と、介在リンク１１４に対して車体１２を回転軸１１７の周りに揺動させる第２関節駆動モータ１４０を備えている。第１関節駆動モータ１３８は、介在リンク１１４に搭載されており、第２関節駆動モータ１４０は、ハウジング２４に搭載されている。第１関節駆動モータ１３８は、本発明の第１アクチュエータに相当し、第２関節駆動モータ１４０は、本発明の第２アクチュエータに相当する。

走行体１１０は、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６と第１関節駆動モータ１３８と第２関節駆動モータ１４０に電力を供給するバッテリモジュール４２と、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６を制御する走行制御モジュール１４４と、第１関節駆動モータ１３８と第２関節駆動モータ１４０の動作を制御する姿勢制御モジュール１４５と、走行体１１０の搭乗者が操作する操作モジュール４６を備えている。走行制御モジュール１４４は、走行体１１０の搭乗者が操作モジュール４６に加えた操作に追従して、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６を制御し、走行体１１０の走行を制御する。姿勢制御モジュール１４５は、第１関節駆動モータ１３８と第２関節駆動モータ１４０の動作を制御し、車台１６に対する車体１２の相対的位置関係を制御する。走行制御モジュール１４４は、本発明の倒立制御装置に相当する。姿勢制御モジュール１４５は、本発明の制動姿勢制御装置に相当する。

走行体１１０は、車台１６に対する介在リンク１１４の揺動角を検出する第１関節エンコーダ１５０と、介在リンク１１４に対する車体１２の揺動角を検出する第２関節エンコーダ１５６と、車体１２の傾斜角速度を検出するジャイロセンサ４８を備えている。また走行体１１０は、右駆動輪１８の車台１６に対する相対的な回転角を検出する右輪エンコーダ５２と、左駆動輪２０の車台１６に対する相対的な回転角を検出する左輪エンコーダ５４と、障害物検知センサ５８、機械式ブレーキ６０、６２を備えている。

走行制御モジュール１４４と姿勢制御モジュール１４５は、第１実施例の走行体１０の走行制御モジュール４４と姿勢制御モジュール１４５とほぼ同様の構成を備えている。

第１実施例の走行体１０とは異なり、本実施例の走行体１１０では車体１２の傾斜角と介在リンク１１４の傾斜角が別個に調整される。本実施例の走行体１１０では、車体１２の傾斜角と傾斜角速度はゼロとなるように調整される。これによって、車体１２の傾斜は、走行中も略水平に維持される。

本実施例の走行体１１０では、状況に応じて、介在リンク１１４の傾斜角および傾斜角速度、あるいは車台１６の傾斜角および傾斜角速度の一方の組について、目標とする時系列パターンに従って調整する。

走行体１１０が走行中に急ブレーキ動作を開始する際には、介在リンク１１４が後方へ傾斜するように、介在リンク１１４の傾斜角および傾斜角速度を所定の時系列パターンに調整する。これによって、車体１２が後方へ向けて移動し、走行体１１０の重心が後方へ移動する。この場合には、安定な倒立姿勢を維持することができるように、車台１６の傾斜角および傾斜角速度が調整される。

図８の（ａ）は走行体１１０が走行している状態を示し、図８の（ｂ）は走行体１１０が走行している状態から制動する状態を示している。制動の開始に伴い、走行体１１０は介在リンク１１４を後方へ傾斜させ、車体１２を後方へ向けて移動させ、走行体１１０の重心の位置を後方へ移動させる。これによって、大きな重力モーメントを作用させ、強いブレーキをかけた場合であっても、安定な倒立姿勢を維持することができる。

急ブレーキ動作によって右駆動輪１８、左駆動輪２０の回転が弱まると、車台１６が右駆動輪１８、左駆動輪２０の回転と同調して回転するように、車台１６の傾斜角および傾斜角速度を調整する。これによって、急ブレーキ動作によって後方へ移動している重心を、慣性によって車軸Ｃ１から鉛直上方へ引き起こす。

なお本実施例の走行体１１０は、図９に示すように、介在リンク１１４と車台１６を屈曲させて、介在リンク１１４と車台１６が連結する部分を路面Ｒに接地させて、停止時の補助具として用いることができる。搭乗席２２が降下した状態とすることができるため、搭乗者の乗降や荷物の積み降ろしが容易となる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

図１は走行体１０の側面図である。 図２は走行体１０の正面図である。 図３は走行体１０の機構を模式的に示す図である。 図４は走行制御モジュール４４、姿勢制御モジュール４５の構成を示すブロック図である。 図５は走行体１０の急ブレーキ動作の流れを示すフローチャートである。 図６は走行体１０の急ブレーキ動作の様子を示す図である。 図７は走行体１１０の側面図である。 図８は走行体１１０の急ブレーキ動作の様子を示す図である。 図９は走行体１１０を停止させた状態を示す図である。

符号の説明

１０：走行体
１２：車体
１４：介在リンク
１５：回転軸
１６：車台
１８：右駆動輪
２０：左駆動輪
２２：搭乗席
２４：ハウジング
２６：ロッド
２８：マウント
３０、３２：車軸
３４：右輪駆動モータ
３６：左輪駆動モータ
３８：関節駆動モータ
４０：リニアモータ
４２：バッテリモジュール
４４：走行制御モジュール
４５：姿勢制御モジュール
４６：操作モジュール
４８：ジャイロセンサ
５０：関節エンコーダ
５２：右輪エンコーダ
５４：左輪エンコーダ
５６：変位計
５８：障害物検知センサ
６０、６２：機械式ブレーキ
６４：制御部
６６：現在姿勢計算部
６８：目標姿勢設定部
７０：指令値計算部
１１０：走行体
１１４：介在リンク
１１５、１１７：回転軸
１３８：第１関節駆動モータ
１４０：第２関節駆動モータ
１４４：走行制御モジュール
１４５：姿勢制御モジュール
１５０：第１関節エンコーダ
１５６：第２関節エンコーダ

Claims (4)

1. 一対の車輪と、
   一対の車輪を同軸上で回転可能に支持する車台と、
   車台に対して車輪を回転させる車輪用アクチュエータと、
   車台に支持されている車体と、
   車台を倒立させるように、車輪用アクチュエータを制御する倒立制御装置とを備える倒立車輪型の走行体であって、
   車体は車台に対して走行体の進行方向に関して相対的に移動可能に車台に支持されており、
   車台に対して車体を走行体の進行方向に関して相対的に移動させる姿勢用アクチュエータと、
   進行している走行体の制動を開始する際に車台に対して車体を走行体の進行方向の逆方向に移動させるように姿勢用アクチュエータを制御する制動姿勢制御装置を備えている倒立車輪型の走行体。
2. 車体は車台に対して介在部材を介して支持されており、
   介在部材は、車台に対して進行方向を含む垂直面内で揺動可能に接続されているとともに、車体を進行方向に沿ってスライド可能に支持しており、
   姿勢用アクチュエータが、車台に対して介在部材を揺動させる第１アクチュエータと、介在部材に対して車体をスライドさせる第２アクチュエータを備えている請求項１の倒立車輪型の走行体。
3. 車体は車台に対して介在部材を介して支持されており、
   介在部材は、車台に対して進行方向を含む垂直面内で揺動可能に接続されているとともに、車体を進行方向を含む垂直面内で揺動可能に支持しており、
   姿勢用アクチュエータが、車台に対して介在部材を揺動させる第１アクチュエータと、介在部材に対して車体を揺動させる第２アクチュエータを備えている請求項１の倒立車輪型の走行体。
4. 車輪を車台に対して制動する機械的ブレーキが設置されている請求項１から３のいずれかの倒立車輪型の走行体。

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