JP2007237750A - 倒立振子型移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】倒立振子型の移動体において、補助輪を下降させる際に、移動体の倒立状態が不安定な状態となることを防止することを可能にする。
【解決手段】台車本体１０の進行方向前後に補助脚２１b，２２bを有する補助輪装置２１，２２を配置し、それぞれの補助輪装置に補助脚２１b，２２bの昇降角を調整するモータ２３，２４及び伸縮量及び／又は伸縮速度を調整するモータ２９，３０を取付けることによって、それぞれ独立して補助脚２１b，２２bの伸縮量及び／又は伸縮速度を調整できるよう構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は倒立振子型移動体に関する。詳しくは、断面円形の回転体（例えば、車輪、球等）と、その回転体の回転軸周りに傾動自在に支持される台車本体と、を有し、床面に接触した回転体を駆動することで台車本体を倒立状態に維持する倒立振子型の移動体に関する。ここで、「倒立振子型移動体」とは、台車本体の重心が回転体の回転軸より上方に位置し、回転体を駆動制御しないと台車本体が倒立状態を維持することができない移動体をいう。

倒立振子型の移動体は、床面に接触した回転体を駆動制御（すなわち倒立制御）することで台車本体を倒立状態に維持するため、回転体の倒立制御を停止すると台車本体が倒立状態を維持することができず転倒する。このため、回転体の倒立制御を停止している間も台車本体が倒立状態を維持することができる移動体が開発されている（例えば、特許文献１）。
特許文献１に開示された移動体は、台車本体に対して昇降自在に取付けられた補助輪と、その補助輪を昇降させるアクチュエータを備えている。補助輪は、アクチュエータにより昇降し、倒立制御時には台車の移動の邪魔にならないよう床面と接触しない位置に配置され、倒立制御停止時には、床面と接触する位置に配置される。補助輪が床面と接触する位置に配置されることで、台車本体が倒立状態を安定して保つことができる。

特開２００４−２９１７９９号

上述した従来の移動体では、移動体の走行速度が０ｍ／ｓ、重力方向に対する台車本体の傾斜角が０度、台車本体と床面とが平行であるという前提で、補助輪の昇降量、昇降速度及び昇降角が設定されている。このため、補助輪下降時の移動体の状態が前提条件と一致する場合には、補助輪を下降させることで補助輪が床面に好適に接触し、移動体を安定した状態で支持することができる。
しかしながら、実際には補助輪下降時の移動体の状態が前提条件と一致することはなく、補助輪を下降させたときに倒立状態が不安定となる場合がある。例えば、この種の移動体では、補助輪を下降させる際も倒立制御は行われるため、実際には走行速度が０ｍ／ｓとならず、台車本体の傾斜角も０度とならない。また、緊急停止時に補助輪を下降させる場合は、走行速度及び傾きは０ｍ／ｓ及び０度とならない。したがって、このような状況で補助輪を下降させると、全ての補助輪が同一のタイミングで床面と接触することはない。一部の補助輪のみが床面と接触すると、その接触の反力によって台車本体の倒立状態が不安定となってしまう。あるいは、床面が傾いているために台車本体と床面とが平行とならない場合（すなわち、台車本体は倒立制御されており、床面が傾いているために台車本体と床面とが平行とならない場合）にも、台車本体の倒立状態が不安定化する。

本発明は上述した事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、補助輪を下降させる際に、移動体の倒立状態が不安定な状態となることを防止することができる技術を提供することである。

本発明の移動体は、断面円形の回転体と、その回転体の回転軸周りに傾動自在に支持される台車本体と、を有し、床面に接触した回転体を駆動制御することで台車本体を倒立状態に維持する。この移動体は、台車本体の移動体進行方向前側に配置されており、台車本体から床面側に向かって伸縮自在とされた第１補助脚と、その第１補助脚に回転自在に取付けられた第１補助輪と、第１補助脚を伸縮させる第１伸縮アクチュエータと、を有する第１補助輪装置と、台車本体の移動体進行方向後側に配置されており、台車本体から床面側に向かって伸縮自在とされた第２補助脚と、その第２補助脚に回転自在に取付けられた第２補助輪と、第２補助脚を伸縮させる第２伸縮アクチュエータと、を有する第２補助輪装置と、を備えている。そして、第１及び第２補助輪装置は、それぞれ独立して補助脚の伸縮量及び／又は伸縮速度を調整できることを特徴とする。
この移動体では、第１及び第２の補助脚の伸縮量及び／又は伸縮速度を独立して変化させることで、第１及び第２の補助輪の昇降量及び／又は昇降速度を変化させることができる。このため、移動体の状態に応じた昇降量及び昇降速度で補助輪を下降させることができる。これによって、台車本体を安定な倒立状態に保ちながら補助輪を床面に接触させることができる。
なお、「回転体」には、同軸上に配された１以上の車輪を用いることができ、あるいは、球体を用いることができる。「回転体」として球体あるいは１つの車輪を用いる場合には、回転体の床面の接触点を中心として移動体の進行方向前後左右の４箇所に補助輪装置を設けることが好ましい。台車本体を４方向から補助輪で支持することで、台車本体を安定して支えることができる。また、「回転体」として２以上の車輪を用いる場合には、移動体の進行方向前後にそれぞれ少なくとも１つの補助輪装置を設けることが好ましい。
また、「補助輪」は、車輪には限られず、補助輪と床面とが接触した状態で台車本体を床面に対して移動させることができるものであればよい。したがって、球体であっても上記「補助輪」に相当する。
また、「第１伸縮アクチュエータ」と「第２伸縮アクチュエータ」には、種々のアクチュエータを用いることができ、例えば、モータや空圧、油圧を利用したアクチュエータ等を用いることができる。

上記移動体においては、第１補助輪装置が第１補助脚の昇降角を変化させる第１昇降角アクチュエータをさらに有し、第２補助輪装置は、第２補助脚の昇降角を変化させる第２昇降角アクチュエータをさらに有することができる。そして、第１及び第２補助輪装置は、それぞれ独立して補助脚の昇降角を調整できることが好ましい。
この構成では、第１及び第２補助脚の昇降角を変化させることで、補助輪の昇降角を変えることができる。このため、補助脚の動作の自由度が増し、移動体の状況により応じた態様で補助輪を下降させて、補助輪を床面に接触させることができる。
なお、「第１昇降角アクチュエータ」と「第２昇降角アクチュエータ」には、種々のアクチュエータを用いることができ、例えば、モータや空圧、油圧を利用したアクチュエータ等を用いることができる。

上記移動体には、さらに、（１）重力方向に対する台車本体の傾斜角を測定する手段と（２）台車本体の速度を測定する測定手段と（３）台車本体に対する床面の傾斜角を測定する測定手段のうちの少なくとも一つと、第１及び第２補助輪装置を制御するコントローラと、をさらに備えることができる。そして、コントローラは、測定手段で測定された測定結果に基づいて、第１補助脚の伸縮量と伸縮速度と昇降角の少なくとも１つと、第２補助脚の伸縮量と伸縮速度と昇降角の少なくとも１つを制御する。
このような構成によると、測定手段によって測定された結果（すなわち、台車本体の状態）に基づいて、第１及び第２補助脚の伸縮量や伸縮速度や昇降角のいずれかが制御される。このため、より安定した状態で補助輪を下降させることができる。

なお、上記移動体においては、第１補助脚及び第２補助脚を伸縮自在としていた。しかしながら、本発明は、第１補助脚と第２補助脚の昇降角のみを調整することにしてもよい。
すなわち、本発明の他の移動体は、断面円形の回転体と、その回転体の回転軸周りに傾動自在に支持される台車本体と、を有し、回転体を駆動制御することで台車本体を倒立状態に維持する。この移動体は、台車本体の移動体進行方向前側に配置されており、台車本体に回動自在に取付けられた第１補助脚と、その第１補助脚に回転自在に取付けられた第１補助輪と、第１補助脚を回動させる第１昇降角アクチュエータと、を有する第１補助輪装置と、台車本体の移動体進行方向後側に配置されており、台車本体に回動自在に取付けられた第２補助脚と、その第２補助脚に回転自在に取付けられた第２補助輪と、第２補助脚を回動させる第２昇降角アクチュエータと、を有する第２補助輪装置と、を備えている。そして、第１及び第２補助輪装置は、それぞれ独立して補助脚の昇降角を調整できることを特徴とする。
この移動体によっても、台車本体を安定な倒立状態に保ちながら補助輪を床面に接触させることができる。

下記の実施例に記載の技術の主要な特徴について列記する。
（形態１） コントローラは、車輪を駆動するモータを制御する。コントローラには、移動体の目標位置の偏差、目標速度の偏差及び傾斜角速度が入力され、これらの偏差及び傾斜角速度を小さくするようにモータに制御指令値を出力する。
（形態２） コントローラは、補助輪が床面に接触した後は台車本体の倒立制御を停止する。一方、コントローラは、台車本体が重力方向に対して水平となるように補助脚を伸縮及び／又は回動させる。ここで、「重力方向に対して水平」とは、台車本体の重心が車軸の鉛直方向に位置する状態をいい、台車本体の上面が水平となる状態をいう。すなわち、補助輪が接触した後は、補助脚の伸縮量及び／又は回動角度を制御することで、台車本体の姿勢を制御する。
（形態３） コントローラは、補助輪装置を駆動するモータを制御することにより補助輪を床面に接触させる際、補助輪が床面に接触する直前までと、直前まで下降させた状態から補助輪が床面に接触するまでの２段階に分けて、補助脚を伸縮及び／又は回動させる。

本発明を具現化した一実施例を図面に基づいて説明する。まず、移動体の機械的構成について図１及び図２を参照して説明する。ここで、図１は移動体の正面図、図２は同移動体の一部破断側面図である。両図においては、補助輪を床面に接触させた状態が示されている。

図1及び図２に示すように移動体７０は、台車本体１０と、台車本体１０に回転自在に取付けられた車輪１４，１５を備えている。台車本体１０は、台車上板１０ｂと、台車下板１０ａと、台車上板１０ｂと台車下板１０ａを連結する台車側板１０ｃから構成されている。台車上板１０ｂの下面には後述するセンサ４０，４１が配設されている。台車下板１０ａ上には、後で詳述する補助輪装置２１，２２が配設されている。
図２に示すように、台車下板１０ａ上の略中央には軸受け部１２，１３が配設されている。軸受け部１２，１３には車軸１６，１７が回転自在に支持されている。図１に示すように、車軸１６の一端には車輪１４が取付けられており、車軸１６の他端には正逆方向に回転可能なモータ１８が取付けられている。このため、モータ１８が正方向又は逆方向に回転すると車軸１６が正方向又は逆方向に回転し、これによって車輪１４も正方向又は逆方向に回転する。同様に、車軸１７の一端には車輪１５が取付けられており、車軸１７の他端には正逆方向に回転可能なモータ１９が取付けられている。このため、モータ１９が正方向又は逆方向に回転すると車軸１７が正方向又は逆方向に回転し、これによって車輪１５も正方向又は逆方向に回転する。（以下、車輪１４，１５が共に正方向に回転して移動する方向を移動体の進行方向前側といい、車輪１４，１５が共に逆方向に回転して移動する方向を移動体の進行方向後側という。）移動体７０が駆動制御されている場合には、モータ１８，１９は、コントローラ５０（図８に図示）により駆動制御される。台車下板１０aの下面には、ジャイロセンサ２０が取付けられている。ジャイロセンサ２０が検出した台車本体１０の傾斜角速度は、コントローラ５０に入力される。コントローラ５０は、台車本体１０の傾斜角速度が「０」となるようにモータ１８，１９を駆動制御し、これにより台車本体１０が倒立状態を維持している。

次に、台車下板１０ａ上に配設された補助輪装置２１，２２を説明する。図２に示すように、補助輪装置２１は台車本体１０の前方（移動体７０の進行方向前側）に取付けられており、補助輪装置２２は台車本体１０の後方（移動体７０の進行方向後側）に取付けられている。まず、補助輪装置２１について説明する。
補助輪装置２１は、補助脚２１ｂと、その補助脚２１ｂの伸縮量及び昇降角を変化させる昇降機構（２３，２５，２７，２９）によって構成されている。補助脚２１ｂの先端には球体である補助輪２１aが取付けられている。補助脚２１ｂの基端は昇降機構（２３，２５，２７，２９）に接続されている。
昇降機構（２３，２５，２７，２９）は、補助脚２１ｂの昇降角を変化させるためのモータ２３を備えている。モータ２３は、台車下板１０aの上面に配設されている。モータ２３の回転軸２３aには回転板２５が取付けられている。モータ２３が回転して回転軸２３ａが回転すると、回転板２５も回動する。回転板２５にはスライダ２７がスライド可能に取付けられている。スライダ２７には図示しない軸受け部が設けられており、この軸受け部に補助脚２１bが回転自在に支持されている。このため、回転板２５が回動すると、補助脚２１bが回動し、これによって補助脚２１bの昇降角を変化させることができる。
モータ２３の回転量は、エンコーダ２３a（図８に図示）によって検出される。エンコーダ２３aで検出された回転量はコントローラ５０に入力される。コントローラ５０は、エンコーダ２３aで検出された回転量から台車本体１０に対する補助脚２１ｂの角度（すなわち、補助脚２１ｂの昇降角）を算出し、その角度に基づいてモータ２３を制御する。これによって、補助脚２１ｂの昇降角が制御される。
なお、図１に示すように、台車下板１０ａの中央には溝１０ｄが形成されている。溝１０ｄを形成することで、補助脚２１ｂの昇降角の変化をさせるときに補助脚２１ｂと台車下板１０ａとが干渉しないようになっている。

また、補助脚２１bの外周面には雄ネジが形成されている。回転板２５に固定された支材３１には雌ネジが形成されている。補助脚２１bの雄ネジは支材３１の雌ネジと螺合している。このため、補助脚２１bが回転すると、支材３１に対して補助脚２１bが上下方向にスライドする。このため、補助脚２１bの先端に取付けられた補助輪２１aも上下方向にスライドする。
補助脚２１bの基端にはモータ２９が接続されている。モータ２９が回転すると補助脚２１bが回転する。補助脚２１ｂが回転すると、支材３１に対して補助脚２１ｂが上下方向にスライドし（すなわち、補助脚２１ｂの伸縮量が変化し）、これによって、補助脚２１bに取付けられた補助輪２１aも上下方向に移動する。モータ２９の回転量及び回転速度はエンコーダ２９a（図８に図示）によって検出される。エンコーダ２９aで検出された回転量及び回転速度はコントローラ５０に入力される。コントローラ５０は、エンコーダ２９aで検出された回転量及び回転速度から台車本体１０に対する補助脚２１bの伸縮量及び伸縮速度を算出し、その算出した伸縮量及び伸縮速度が所望の値となるようにモータ２９を制御する。

次に、補助輪装置２２について説明する。補助輪装置２２も、上述した補助輪装置２１と同様に、補助脚２２ｂと、その補助脚２２ｂの伸縮量及び昇降角を変化させる昇降機構（２４，２６，２８，３０）によって構成されている。補助脚２２ｂの先端には球体である補助輪２２aが取付けられている。補助脚２２ｂの基端は昇降機構（２４，２６，２８，３０）に接続されている。
補助脚２２ｂの伸縮量及び昇降角を変化させる昇降機構は、補助脚２２ｂの昇降角を変化させるモータ２４と、モータ２４の回転軸２４ａに取付けられた回転板２６と、回転板２６上をスライドするスライダ２８と、回転板２６上に固定された支材３２と、補助脚２２ｂの伸縮量を変化させるモータ３０によって構成されている。これらモータ２４、回転板２６、スライダ２８、支材３２、モータ３０は、上述した補助輪装置２１のモータ２２、回転板２５、スライダ２７、支材３１、モータ２９のそれぞれと同一構成であるため、ここでは、これ以上の説明については省略する。

次に、台車本体１０の速度、台車本体１０の重力方向に対する傾斜角及び台車本体１０に対する床面の傾斜角の測定方法について説明する。
台車本体１０の速度と加速度は、モータ１８，１９の回転数から算出される。モータ１８，１９の回転数はエンコーダ１８a、１９a（図８に図示）により検出される。検出されたモータ１８，１９の各回転数はコントローラ５０に入力される。コントローラ５０は、入力されたモータ１８，１９の各回転数から台車本体１０の速度及び加速度を算出する。

台車本体１０の重力方向に対する傾斜角は下記の機構によって測定される。すなわち、図１に示すように、台車下板１０a下面の前後方向の略中央部には支材３３，３４が固定されており、その支材３３，３４には回転軸３５が回転自在に支持されている。回転軸３５が支材３３，３４に支持された状態では、回転軸３５は車輪１４，１５に対して垂直に配されている。図２に良く示されるように、回転軸３５の略中央には振子３６が固定されている。移動体７０が等速で運動している場合には、振子３６が常に重力方向を向くように、振子３６は適度な重さを有している。また、振子３６の回転角θ_１（すなわち、回転軸３５の回転角）を測定するエンコーダ３７が回転軸３５の一端に取付けられている。エンコーダ３７で検出された振子３６の回転角θ_１はコントローラ５０に入力される。
台車本体１０の重力方向に対する傾斜角θは、エンコーダ３７で検出された振子３６の回転角θ_１によって取得される。すなわち、台車本体１０が等速運動をしている場合、振子３６は重力方向に向いているため、振子３６の回転角θ_１が台車本体１０の重力方向に対する傾斜角θとなる。したがって、エンコーダ３７で検出された振子３６の回転角θ_１が台車本体１０の重力方向に対する傾斜角θとなる。一方、台車本体１０が加速又は減速している場合、振子３６には加速度による慣性力が作用する。そのため、まず、コントローラ５０でエンコーダ１８a，１９aより検出されたモータ１８，１９の回転数の偏差から、移動体７０の加速度を算出する。次に、算出された加速度から振子３６に作用する慣性力を決定し、その慣性力による振子３６の回転角θ_２を算出する。この回転角θ_２とエンコーダ３７で検出された振子３６の回転角θ_１により、台車本体１０の重力方向に対する傾斜角θ（＝θ_１−θ_２）を算出する。

台車本体１０に対する床面の傾斜角は、１次元の距離を計測するセンサ４０，４１によって測定される。すなわち、台車上板１０bの下面には、車両前後方向に台車上板１０ｂから床面までの距離を測定するセンサ４０，４１が取付けられている。センサ４０は台車上板１０bの前方の下面から床面までの距離ｈ_１を検出し、センサ４１は台車上板１０bの後方の下面から床面までの距離ｈ_２を検出する。センサ４０，４１によって検出された距離ｈ_１，ｈ_２は、コントローラ５０に入力される。コントローラ５０は、入力された距離ｈ_１，ｈ_２から台車本体１０（台車上板１０ｂ）に対する床面の傾斜角を算出する。なお、台車本体１０に対する床面の傾斜角と台車本体１０の重力方向に対する傾斜角がわかると、両者の値から床面の重力方向に対する傾斜角を算出することができる。

次に、上述したように構成される移動体７０の制御系の構成について説明する。図８は、移動体７０の制御系の構成を示すブロック図である。
図８に示すように、移動体７０の制御はコントローラ５０で行われる。コントローラ５０は、主に、（１）モータ１８，１９を制御することによる移動体の倒立制御及び移動制御と、（２）モータ２３，２４を制御することによる補助脚２１b，２２bの昇降角の制御と、（３）モータ２９，３０を制御することによる補助脚２１b，２２bの伸縮量及び伸縮速度の制御を行う。

（１）移動体７０の倒立制御及び移動制御
コントローラ５０にはジャイロセンサ２０が接続され、ジャイロセンサ２０の出力（台車本体１０の傾斜角速度）が入力する。コントローラ５０には、車輪１４，１５を駆動するモータ１８，１９が接続されている。さらに、コントローラ５０には、モータ１８，１９の回転量を検出するエンコーダ１８ａ，１９ａが接続され、エンコーダ１８ａ，１９ａで検出されたモータ１８，１９の回転量が入力する。
移動体７０の倒立制御及び移動制御を行う場合、コントローラ５０は、エンコーダ１８ａ，１９ａから入力される検出値に基づいて移動体７０の現在の位置及び現在の速度を算出する。そして、位置偏差（別途与えられた目標位置と現在位置の偏差）と速度偏差（別途与えられた目標速度と現在速度の偏差）とジャイロセンサ２０で検出された傾斜角速度が「０」となるように、モータ１８，１９にトルク指令値を出力する。ジャイロセンサ２０で検出された傾斜角速度が「０」となるようにモータ１８，１９が制御されるため、移動体７０の倒立状態が維持される。なお、コントローラ５０によるモータ１８，１９の制御方法については、特許文献１に開示した制御方法を用いることができるため、ここでは、これ以上の詳細な説明は省略する。

（２）補助脚２１b，２２bの昇降角の制御
コントローラ５０にはモータ２３，２４が接続されている。また、コントローラ５０には、モータ２３，２４の回転量を検出するエンコーダ２３a，２４aが接続され、エンコーダ２３a，２４aで検出されたモータ２３，２４の回転量が入力する。補助脚２１b，２２bの昇降角の制御を行う場合、コントローラ５０は、まず、エンコーダ１８ａ，１９ａ、エンコーダ３７及びセンサ４０，４１等によって検出された移動体７０の状態（台車本体１０の速度、台車本体１０の重力方向に対する傾斜角及び台車本体１０に対する床面の傾斜角）に応じて、補助脚２１ｂ，２２ｂの昇降角を決定する。次いで、コントローラ５０は、エンコーダ２３a，２４aから入力される回転量に基づいて補助脚２１b，２２bの実際の昇降角を算出し、実際の昇降角が決定された昇降角（すなわち、目標値）となるようにモータ２３，２４にトルク指令値を出力する。

（３）補助脚２１b，２２bの伸縮量及び伸縮速度の制御
コントローラ５０にはモータ２９，３０が接続されている。また、コントローラ５０には、モータ２９，３０の回転量を検出するエンコーダ２９a，３０aが接続され、エンコーダ２９a，３０aで検出されたモータ２９，３０の回転量が入力する。補助脚２１ｂ，２２ｂの伸縮量及び伸縮速度の制御を行う場合、コントローラ５０は、まず、エンコーダ１８ａ，１９ａ、エンコーダ３７及びセンサ４０，４１等によって検出された移動体７０の状態（台車本体１０の速度、台車本体１０の重力方向に対する傾斜角及び台車本体１０に対する床面の傾斜角）に応じて補助脚２１ｂ，２２ｂの伸縮量及び伸縮速度を決定する。まず、補助輪２１a，２２aが床面に接触する直前までの補助脚２１ｂ，２２ｂの伸縮量及び伸縮速度を決定する。コントローラ５０は、エンコーダ２９a，３０aから入力された回転量に基づいて補助脚２１b，２２bの実際の伸縮量及び伸縮速度を算出し、実際の伸縮量及び伸縮速度が決定された伸縮量及び伸縮速度（目標値）となるようにモータ２９，３０にトルク指令値を出力する。次に、床面に接触する直前の位置から床面に接触するまでの補助脚２１ｂ，２２ｂの伸縮量及び伸縮速度を決定する。コントローラ５０は、エンコーダ２９a，３０aから入力された回転量に基づいて補助脚２１b，２２bの実際の伸縮量及び伸縮速度を算出し、実際の伸縮量及び伸縮速度が決定された伸縮量及び伸縮速度（目標値）となるようにモータ２９，３０にトルク指令値を出力する。本移動体７０では、補助輪２１a，２２aを床面に接触させる場合、２段階に分けて補助輪２１a，２２aを下降させることができる。したがって、１段階目は早く下降させることにより、補助輪２１a，２２aの駆動開始から床面に接触するまでの時間を短縮することができる。また、２段階目を遅く下降させることで、補助輪２１a，２２aが床面に接触した際の衝撃を和らげ、補助輪２１a，２２aが床面に接触した際に、移動体７０が不安定にならないようにすることができる。

ここで、補助輪２１ａ，２２ａを床面に接触させる時に、コントローラ５０によって行われる補助脚２１ｂ、２２ｂの伸縮量、伸縮速度及び昇降角の制御例の概要について説明しておく。図３〜図６は補助輪装置２１，２２の動作を説明するための一部抜粋図である。図３は補助輪２１a，２２aを上昇させて台車本体１０を倒立制御しながら走行している状態を示しており、図４は台車本体１０が重力方向に水平な状態で重力方向に水平な床面に対して補助輪２１a，２２aを接触させた状態を示しており、図５は台車本体１０が重力方向に水平でない状態で重力方向に水平な床面に対して補助輪２１a，２２aを接触させた状態を示しており、図６は台車本体１０が傾斜面上にある状態で補助輪２１a，２２aを傾斜面に接触させた状態を示している。
補助輪２１ａ，２２ａを床面に接触させるには、コントローラ５０は、エンコーダ１８a，１９a、エンコーダ３７及びセンサ４０，４１の入力値より、台車本体１０の速度、台車本体１０の重力方向に対する傾斜角及び台車本体１０に対する床面の傾斜角を算出する。コントローラ５０は、算出された台車本体１０の速度及び加速度、台車本体１０の重力方向に対する傾斜角及び台車本体１０に対する床面の傾斜角に基づいて、モータ２３，２４，２９，３０に出力するトルク指令値を決定する。
例えば、図４に示すように、台車本体１０が重力方向に水平な状態で重力方向に水平な床面に補助輪２１a，２２aを接触させる場合は、コントローラ５０は、補助脚２１ｂ，２２ｂの昇降角を初期値のままとし（すなわち、図３の状態のまま）、補助脚２１ｂの伸縮量と補助脚２２ｂの伸縮量とが同一となり、補助脚２１ｂの伸縮速度と補助脚２２ｂの伸縮速度が同一となるように、モータ２９，３０にトルク指令値を出力する。コントローラ５０から出力されたトルク指令値に基づいてモータ２９，３０が回転することで、補助脚２１b，２２bが伸長し、補助輪２１a，２２aが床面に接触する（図４に示す状態）。
一方、図５に示すように台車本体１０が重力方向に水平でない状態で重力方向に水平な床面に補助輪を接触させる場合、あるいは、図６に示すように傾斜面上にある台車本体１０が傾斜面に補助輪を接触させる場合は、コントローラ５０は、算出された台車本体１０の速度、重力方向に対する傾斜角及び台車本体に対する床面の傾斜角から、補助脚２１b，２２bの伸縮量、伸縮速度及び昇降角を決定する。次に、決定された伸縮量、伸縮速度及び昇降角に基づいてコントローラ５０よりモータ２３，２４，２９，３０にトルク指令値が出力され、補助輪２１a，２２aが床面に接触する。例えば、図５に示す例では、補助脚２１ｂの昇降角を小さくする一方で伸縮量を長くし、伸縮量が長くなるのに応じて伸縮速度を大きくする。一方、補助脚２２ｂについては、昇降角を大きくする一方で伸縮量を短くし、伸縮量が短くなるのに応じて伸縮速度を小さくする。これによって、補助輪２１ａ，２２ａを略同時に床面に接触させることができる。また、図６に示す例では、補助脚２１ｂの昇降角は変更することなく、補助脚２１ｂの伸縮量を短くし、伸縮量が短くなるのに応じて伸縮速度を小さくする。また、補助脚２２ｂの昇降角を大きくすると共に伸縮量を長くし、伸縮量が長くなるのに応じて伸縮速度を大きくする。これによって、移動体７０が傾斜面上にあっても、台車本体１０を重力方向に対して水平な状態としつつ補助輪２１ａ，２２ａを傾斜面に略同時に接触させることができる。

なお、台車本体１０が重力方向に水平でない状態で補助輪２１ａ，２２ａを床面に接触させた場合（図５の場合）は、補助脚２１ｂ，２２ｂの昇降角及び伸縮量を制御することで、台車本体１０が重力方向に対して水平な状態に戻される。これによって、移動体７０の重心６０が車軸１４，１５の鉛直線上に位置し、より安定した姿勢を保つことができる。
すなわち、図７に示すように、台車本体１０が重力方向に水平でない状態で補助輪２１ａ，２２ａが床面に接触すると（図７（ａ）の状態→（ｂ）の状態）、コントローラ５０は、センサ４０，４１で検出された距離ｈ_１、ｈ_２から台車本体１０の重力方向に対する傾斜角を算出する。次に、コントローラ５０は、算出した傾斜角より台車本体１０が水平になるよう補助脚２１b，２２bの伸縮量及び昇降角を決定する。最後に、コントローラ５０は、決定した補助脚２１b，２２bの伸縮量及び昇降角に基づいて、モータ２３，２４，２９，３０にトルク指令値を出力する。これによって、各モータ２３，２４，２９，３０が駆動され、台車本体１０が水平に戻される（図７（ｃ）の状態）。

次に、補助輪２１ａ，２２ａを昇降制御する際にコントローラ５０で実施される処理について図９を参照して説明する。
図９に示すように、コントローラ５０は、まず、補助輪装置下降指令を内部又は外部の遠隔制御装置より受信する（ステップＳ１）。補助輪装置下降指令を受信すると、コントローラ５０は、エンコーダ１８a，１９a、エンコーダ３７及びセンサ４０，４１の入力値に基づいて、移動体７０の傾き（台車本体１０の重力方向に対する傾斜角）、移動体７０の速度、床面の台車本体に対する傾斜角を算出する（ステップＳ２）。これにより、コントローラ５０は、現在の状況に合った最も安定した姿勢を保つことができる最適な補助輪２１a，２２aの位置を決定することができる（すなわち、補助脚２１ｂ，２２ｂの伸縮量及び昇降角を決定することができる）。
次に、補助輪２１ａ，２２ａが床面に接触する直前までの、補助脚２１ｂ，２２ｂの伸縮量、昇降角及び伸縮速度を決定し（ステップＳ３）、モータ２３，２４，２９，３０のそれぞれにトルク指令値を出力する（ステップＳ４）。これにより、補助脚２１b，２２bが伸縮及び回動を開始する。
ステップＳ４でモータ２３，２４，２９，３０にトルク指令値が出力されるとコントローラ５０は、各補助輪２１ａ，２２ａの昇降角及び昇降量がステップＳ３で決定した目標量になったか否かを判定する（ステップＳ５）。昇降角及び昇降量が目標量となっている場合（ステップＳ５でＹＥＳ）は、ステップＳ６に進む。一方、昇降角及び昇降量が目標量となっていない場合（ステップＳ５でＮＯ）は、ステップＳ２に戻って、ステップＳ２からの処理を繰り返す。これによって、補助輪２１ａ，２２ａは、床面に接触する直前の位置まで下降される。

ステップＳ６では、コントローラ５０は、エンコーダ１８a，１９a、エンコーダ３７，センサ４０，４１の入力値に基づいて、移動体７０の傾き及び速度、床面の傾斜角を算出する。これにより、コントローラ５０は、現在の状況に合った最も安定した姿勢を保つことができる最適な補助輪２１a，２２aの位置を判断することができる。
次に、補助輪２１a，２２aが床面に接触するまでの、補助脚２１b，２２bの伸縮量、昇降角及び伸縮速度を決定し（ステップＳ７）、モータ２３，２４，２９，３０にトルク指令値を出力する（ステップＳ８）。これによって、補助脚２１b，２２bが伸縮及び回動をさらに進む。
ステップＳ８でモータ２３，２４，２９，３０にトルク指令値が出力されると、コントローラ５０は、各補助輪２１ａ，２２ａの昇降角及び昇降量が目標量になったか否かを判定する（ステップＳ９）。昇降角及び昇降量がステップＳ７で決定した目標量となっている場合（ステップＳ９でＹＥＳ）は、ステップＳ１０に進む。一方、昇降角及び昇降量が目標量となっていない場合（ステップＳ９でＮＯ）は、ステップＳ６に戻って、ステップＳ６からの処理を繰り返す。これによって、補助輪２１ａ，２２ａは、床面に接触する位置まで下降される。

ステップＳ９で補助輪２１a，２２aが床面に接触すると、コントローラ５０は、重力方向に対する台車本体１０の傾斜角及び台車本体１０に対する床面の傾斜角を測定する（ステップＳ１０）。
次に、コントローラ５０は、台車本体１０の重力方向に対する傾斜角が「０」となる（すなわち、台車本体１０が水平となる）か否かを判定する（ステップＳ１１）。台車本体１０の重力方向に対する傾斜角が「０」となる場合（ステップＳ１１でＹＥＳ）は補助輪装置２１，２２の駆動を停止し、台車本体１０の重力方向に対する傾斜角が「０」とならない場合（ステップＳ１１でＮＯ）はステップＳ１２に進む。
ステップＳ１２に進むと、コントローラ５０は、移動体７０（すなわち、台車本体１０）が重力方向に対して水平となるよう補助脚２１b，２２bの伸縮量、昇降角及び伸縮速度を決定し（ステップＳ１２）、モータ２３，２４，２９，３０にトルク指令値を出力する（ステップＳ１３）。これにより、補助脚２１b，２２bが伸縮及び回動を開始し、台車本体１０が重力方向に水平となるように戻される。
ステップＳ１３でモータ２３，２４，２９，３０にトルク指令値が出力されると、コントローラ５０は各補助輪２１ａ，２２ａの昇降角及び昇降量がステップＳ１２で決定した目標量になったか否かを判定する（ステップＳ１４）。昇降角及び昇降量が目標量となっている場合（ステップＳ１４でＹＥＳ）場合は、補助輪装置２１，２２の駆動を停止する。一方、昇降角及び昇降量が目標量となっていない（ステップＳ１４でＮＯ）場合は、ステップＳ１０に戻って、ステップＳ１０からの処理を繰り返す。これによって、補助輪装置２１，２２は、台車本体１０が重力方向に対して水平になるまで駆動される。

上述した説明から明らかなように、本実施例の移動体７０では、補助輪装置２１，２２が独立して駆動され、補助輪２１a，２２aが移動体７０に対して回動及び昇降することによって床面に接触する。また、台車本体１０の速度、重力方向に対する傾斜角及び台車本体１０に対する床面の傾斜角を測定し、この測定結果に基づいて補助輪装置２１，２２の伸縮量、伸縮速度及び昇降角が制御される。このため、移動体７０は、床面の状況に応じて、安定した状態で補助輪２１a，２２aを床面に接触させることができる。また、補助輪２１a，２２aを床面に接触させる場合、補助輪２１a，２２aの位置を床面に接触する直前までと、直前の位置から床面に接触するまでの二段階に分けて下降させる。このように、補助輪２１a，２２aが床面に接触する速度を遅く制御することにより、補助輪２１a，２２aが床面に接触する際の衝撃を和らげることができ、不安定な状態を防ぐことができる。
また、補助輪２１a，２２aが床面に接触した後、補助脚２１ｂ，２２ｂを駆動することで台車本体１０を重力方向に対して水平に戻すため、移動体７０を安定した状態にすることができる。このため、補助輪２１a，２２aを使用した状態でも、これまでより安定した状態に維持することができる。

なお、上述した移動体７０は、補助輪２１ａ，２２ａを床面に接触させた状態で床面を移動させることもできる。この場合、移動体７０の倒立制御を停止し、補助輪２１ａ，２２ａによって台車本体１０が倒立状態を保つように支えることができる。これによって、移動体７０が加減速する時でも、台車本体１０が重力方向に対して水平に保たれ、台車本体１０の姿勢が傾くことを防止することができる。
また、補助輪２１ａ，２２ａを床面に接触させた状態で傾斜面を走行させる時は、傾斜面の角度に応じて補助脚２１ｂ，２２ｂの伸縮量及び昇降角を制御することが好ましい。これによって、移動体７０が傾斜面を走行する際も、台車本体１０を重力方向に対して水平に保つことができる。

上述した実施例の補助輪装置は、補助脚の伸縮量、伸縮速度及び昇降角を制御したが、本発明の技術は、補助輪装置によって補助脚の昇降角のみを制御するようにしてもよい。このような補助輪装置の例を、図１０を参照して説明する。図１０は、補助輪装置１０１，１０２を説明するための一部抜粋図である。この例では、補助輪１０１ａ，１０２ａの昇降を補助脚１０１ｂ，１０２ｂの回動のみにより実施する。
図１０（ａ）は補助輪装置１０１，１０２の補助輪１０１ａ，１０２ａを床面から上昇させ、移動体が倒立制御を行っている状態を示している。図１０（ｂ）は重力方向に水平な台車本体１１０が、重力方向に水平な床面に補助輪１０１ａ，１０２ａを接触させた状態を示している。図１０（ｃ）は重力方向に水平でない台車本体１１０が、重力方向に水平な床面に補助輪１０１ａ，１０２ａを接触させた状態を示している。図１０（ｄ）は台車本体１０が傾斜面上で補助輪１０１a，１０２aを接触させた場合を示している。
図１０（ａ）に示すように、移動体が補助輪１０１ａ，１０２ａを使用しない場合には、補助脚１０１ｂ，１０２ｂを回動して補助輪１０１ａ，１０２ａを床面より上昇させ、補助輪１０１ａ，１０２ａを床面に接触しない位置に保持している。一方、補助輪１０１ａ，１０２ａを床面に接触させる場合は、台車本体１０の状態、床面の状態に応じて補助脚１０１b，１０２bの回動速度及び回動量が制御される。これによって、補助輪１０１ａ，１０２ａを略同時に床面に接触させることができ、台車本体１０を安定した状態のまま補助輪１０１ａ，１０２ａを床面に下降させることができる。
このように、補助脚１０１ｂ，１０２ｂの回動のみにより補助輪１０１ａ，１０２ａを昇降させる機構を採用すると、補助脚１０１ｂ，１０２ｂを伸縮させる機構を省くことができるため、移動体の重量を軽くすることができる。

以上、本発明のいくつか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。
例えば、上述した実施例では、台車本体の進行方向の傾きのみを測定していた。しかしながら、車輪に代えて球体を用いた場合等には、台車本体の前後左右に補助輪装置を設けると共に台車本体の前後左右の傾きを測定し、測定した台車本体の前後左右の傾きに基づいて補助輪装置を制御することができる。台車本体の前後左右の傾きを測定することで、台車本体を安定した状態に保ちながら補助輪を下降させることができる。
また、補助輪の数は、台車本体が安定して倒立状態を維持できるよう適宜決定することができる。
また、補助脚の伸縮量を変化させるアクチュエータには、モータ以外にも空圧や油圧を利用したアクチュエータを用いることができる。同様に、補助脚の昇降角を変化させるアクチュエータにも、空圧や油圧を利用したアクチュエータを用いることができる。
また、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合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合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。

本実施例に係る移動体の正面図。 同、移動体の側面図。 同、補助輪装置を説明する抜粋図。 同、補助輪装置を説明する抜粋図。 同、補助輪装置を説明する抜粋図。 同、補助輪装置を説明する抜粋図。 移動体の台車本体と補助輪装置に関してモデル化した図。 本実施例の制御系の構成を示す機能ブロック図。 本実施例の制御コントローラの処理手順を示すフローチャート。 補助輪装置の駆動機構のさらに他の例を説明する図。

符号の説明

１０：台車本体
１４，１５：車輪
１８，１９：移動体駆動用モータ
２１，２２：補助輪装置
２３，２４：補助脚昇降角用モータ
２９，３０：補助脚伸縮用モータ

Claims (4)

1. 断面円形の回転体と、その回転体の回転軸周りに傾動自在に支持される台車本体と、を有し、床面に接触した回転体を駆動制御することで台車本体を倒立状態に維持する倒立振子型の移動体において、
   台車本体の移動体進行方向前側に配置されており、台車本体から床面側に向かって伸縮自在とされた第１補助脚と、その第１補助脚に回転自在に取付けられた第１補助輪と、第１補助脚を伸縮させる第１伸縮アクチュエータと、を有する第１補助輪装置と、
   台車本体の移動体進行方向後側に配置されており、台車本体から床面側に向かって伸縮自在とされた第２補助脚と、その第２補助脚に回転自在に取付けられた第２補助輪と、第２補助脚を伸縮させる第２伸縮アクチュエータと、を有する第２補助輪装置と、を備えており、
   第１及び第２補助輪装置は、それぞれ独立して補助脚の伸縮量及び／又は伸縮速度を調整できることを特徴とする倒立振子型移動体。
2. 第１補助輪装置は、第１補助脚の昇降角を変化させる第１昇降角アクチュエータをさらに有しており、
   第２補助輪装置は、第２補助脚の昇降角を変化させる第２昇降角アクチュエータをさらに有しており、
   第１及び第２補助輪装置は、それぞれ独立して補助脚の昇降角を調整できることを特徴とする請求項１の倒立振子型移動体。
3. （１）重力方向に対する台車本体の傾斜角を測定する測定手段と（２）台車本体の速度を測定する測定手段と（３）台車本体に対する床面の傾斜角を測定する測定手段のうちの少なくとも一つと、第１及び第２補助輪装置を制御するコントローラと、をさらに備えており、
   そのコントローラは、測定手段で測定された測定結果に基づいて、第１補助脚の伸縮量と伸縮速度と昇降角の少なくとも１つと、第２補助脚の伸縮量と伸縮速度と昇降角の少なくとも１つを制御することを特徴とする請求項２の倒立振子型移動体。
4. 断面円形の回転体と、その回転体の回転軸周りに傾動自在に支持される台車本体と、を有し、床面に接触した回転体を駆動制御することで台車本体を倒立状態に維持する倒立振子型の移動体において、
   台車本体の移動体進行方向前側に配置されており、台車本体に回動自在に取付けられた第１補助脚と、その第１補助脚に回転自在に取付けられた第１補助輪と、第１補助脚を回動させる第１回動角アクチュエータと、を有する第１補助輪装置と、
   台車本体の移動体進行方向後側に配置されており、台車本体に回動自在に取付けられた第２補助脚と、その第２補助脚に回転自在に取付けられた第２補助輪と、第２補助脚を回動させる第２回動角アクチュエータと、を有する第２補助輪装置と、を備えており、
   第１及び第２補助輪装置は、それぞれ独立して補助脚の回動角を調整できることを特徴とする倒立振子型移動体。

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