JP2008229788A - 倒立型移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】移動する床面上に段差が存在する場合であってもその段差を乗り越えて移動を行うことが可能な倒立型移動体を提供すること。
【解決手段】断面が円形の回転体と、回転体の回転駆動を制御する制御部と、回転体を保持する移動体本体と、移動体本体に接続されたアーム部と、アーム部の先端に接続された保持部とを備える倒立型移動体において、アーム部を移動体本体と保持部との相対位置を変位可能に変形可能に構成し、制御部を床面に接する回転体の回転駆動を制御することで移動体本体の倒立状態を維持する倒立制御と、所定位置に対して回転体を移動させるように回転体の回転駆動を制御する位置制御とを切り換えて回転体の回転を制御可能とし、外部の固定部材を保持部で保持した状態のアーム部を変形する際に移動体本体を保持部に近づけるように回転体の回転駆動を制御した。
【選択図】 図７

Description

本発明は、断面が円形の回転体の回転駆動を制御することで倒立状態を維持しながら走行による移動を行う、いわゆる倒立型移動体に関するものである。

断面が円形の回転体を回転駆動することで倒立状態を維持しながら走行する倒立型移動体は、全体の重心位置を回転体の接地位置に対して常に鉛直方向に維持するように回転体を駆動することで、倒立状態を維持しつつ、移動を行うことができる。このような倒立型の移動体においては、移動体の重心を前方へ移動させることで、回転体の接地位置を前方に移動した重心位置の真下に移動させるように回転体が駆動され、その結果、前方へ移動することができる。このような、重心位置を変化させることで移動する方向および速度を制御することが可能な移動体は、物体を搭乗して移動する台車として利用したり、人間が搭乗しつつ移動を行うための移動手段として利用したりされつつある。（例えば特許文献１）

このような倒立型移動体は、いわゆる４輪を有する安定型の移動体に比べてホイールベースが短く、方向転換に要するスペースが小さくなるというメリットを有しているため、新たな移動手段としての役割が期待されつつある。
特開２００４−１２９４３５号公報

このような移動体においては、回転体の接する床面に段差などの凸部が存在すると、その凸部の高さによっては回転体が乗り越えられない場合がある。そのような場合、移動体はその凸部を乗り越えて移動することができないため、移動する領域に制限が生じる。そのため、このような移動体が複数フロアを有する屋内で移動する際に、屋内に設けられた階段を乗り越えることができず、フロア間の移動を行うことができなくなることがある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、倒立制御により移動を行う移動体において、移動する床面上に段差等の凸部が存在する場合であっても、その凸部を乗り越えて移動を行うことが可能な倒立型移動体を提供することを目的とするものである。

本発明にかかる倒立型移動体は、前述のような課題を解決するためのものであり、断面が円形の回転体と、前記回転体を回転駆動させる駆動部と、前記駆動部を制御し、回転体の回転駆動を制御する制御部と、前記回転体を保持する移動体本体と、前記移動体本体に接続されたアーム部と、前記アーム部の先端に接続された保持部と、を備えるものであり、前記アーム部が、移動体本体と保持部との相対位置を変位可能に変形可能に構成されるとともに、前記制御部が、床面に接する前記回転体の回転駆動を制御することで移動体本体の倒立状態を維持する倒立制御と、所定の位置に対して回転体を移動させるように回転体の回転駆動を制御する位置制御とを切り換えて回転体の回転を制御可能であり、前記制御部が、外部に存在する固定部材を前記保持部で保持した状態のアーム部を変形する際に、移動体本体を前記保持部に近づけるように、回転体の回転駆動を制御することを特徴としている。

このような倒立型移動体によれば、移動する床面に段差等の凸部が存在する場合であっても、移動体の外部に存在する固定部材を支点として、移動体を引き寄せることができる。その際に、倒立制御ではなく位置制御により回転体を回転制御するため、移動体を引き寄せる動きに追従して回転体を移動させることができ、その結果、凸部を乗り越えることが可能となる。

また、それほど高さのない凸部や、断面が曲面上の凸部を乗り越える場合であれば、床面上を移動体が移動する方向に移動体本体を前記保持部に対して相対的に近づけるようにアーム部を変形させることで回転体が凸部を乗り越えることが可能であるが、ある程度高さのある凸部や、通常の階段のように断面矩形の段差からなる凸部である場合は、回転体が凸部を乗り越えることが困難である場合がある。そのような場合には、水平方向に変形する動きに加えて、移動体本体を保持部に対して鉛直上方に近づける方向にアーム部が変形可能であることが好ましい。このようにアーム部を変形させることで、凸部の高さがある程度大きなものである場合や、断面矩形である場合であっても、回転体が凸部を乗り越えることができる。

このようなアーム部は、伸縮自在に摺動することで変形するシリンダタイプのものであってもよいが、１以上の駆動する関節を備え、この関節を駆動することで変形するものであってもよい。このようなアーム部は、保持部の位置を自在に変更することが可能であるため、外部に存在する固定部材を保持することができる。

また、前記保持部としては、吸着や磁力等により固定部材を保持するものであってもよいが、関節駆動により動作する１以上の指部材を備え、この指部材により固定部材を把持するハンド部で構成されることが望ましい。このようなハンド型の保持部は、指部材により固定部材を保持する保持位置を適宜変更することで、固定部材の形状に関わらず固定部材を強固に保持することが可能となる。

また、このような倒立型移動体は、回転体の接する床面に存在する段差等の凸部を光学的に検出する検出部をさらに備えることが好ましい。このような検出部により床面に存在する段差等を検出することで、前記制御部の回転体を回転駆動するための制御を倒立制御から位置制御に切り換えるタイミングを適切に判断することが可能となる。このような光学的に凸部を検出する検出部としては、例えば赤外線レーザ等を床面前方一面にスキャンし、その反射光を受光することで床面形状を三次元的に認識する赤外線センサ等を用いることができる。

さらに、このような倒立型移動体は、検出部が検出した凸部の鉛直方向の高さに基づいて、前記アーム部の変形する度合いを決定するように構成されていてもよい。これによって、アーム部の変形する度合いを回転体が凸部を乗り越えるために必要な適切な程度に調整することが可能となる。

以上、説明したように、本発明によると、移動する床面上に段差等の凸部が存在する場合であっても、その段差を乗り越えて移動を行うことが可能な倒立型移動体を提供することができる。

発明の実施形態１．
以下に、図１から図８を参照しつつ本発明の実施の形態１にかかる倒立型移動体について説明する。

図１は、移動領域である床面Ｐ上を自律的に移動可能な倒立型移動体（以下、単に移動体という）１を概略的に示す概略図であり、図２は、図１に示す移動体１を側方から見た様子を概念的に示す側面図である。なお、図３は、図１に示す移動体１の胴体部に内蔵される各構成要素を概念的に示すブロック図である。この移動体１は、断面円形の回転体として、一対の対向する２つの駆動輪を備えるとともに、床面Ｐ上に部分的に搭乗された物体（障害物）を避けるように移動可能に構成されている。以下、詳細に説明する。

図１および図２に示すように、移動体１は、移動体本体１０と、移動体本体１０に対して一体的に固定された支持軸Ｃに対して各々独立して回転可能な、1対の対向する回転体としての第１駆動輪Ｗ１および第２駆動輪Ｗ２と、を備えている。

移動体本体１０は、箱型形状の胴体部１２と、胴体部１２の上部に回動自在に接続された頭部１１と、胴体部１２の両側に各々一端が接続されたアーム部としての右腕部２１および左腕部２２と、これらの両腕部の他端に各々接続された保持部としての右ハンド部３１、左ハンド部３２と、を備えている。

胴体部１２は、図３に示すように、箱型形状をなすフレームの内部において、1対の対向する第１駆動輪Ｗ１、第２駆動輪Ｗ２（以下、単に駆動輪という）を支持する支持軸Ｃ（Ｃ１，Ｃ２）を備え、この支持軸Ｃを駆動する駆動部としてのモータ１３１、１３２と、鉛直方向に対する傾斜度合いを検出するジャイロ１４と、前述の駆動輪を駆動するための制御信号を作成し、モータ１３１、１３２にその制御信号を送信する制御部１５と、これらの構成要素に電力を供給するためのバッテリー１６と、その前方に配置され、移動する床面の形状等や障害物等を光学的に認識するための検出部１７、１７を備えている。

モータ１３１、１３２は、前述の駆動輪を各々独立して駆動するものであり、これらの駆動輪の回転数を制御部１５からの制御信号により変化させることで移動体１の進行方向を変化させたり、旋回動作を行ったりすることを可能とする。なお、モータには、電力供給により過熱状態となることを検出するための図示しない温度センサが設けられ、この温度センサにより過熱状態を検出し、後述する制御部に検出信号を出力することで、モータによる最大トルクの出力ができなくなるといった状態を回避することができる。

ジャイロ１４は、胴体部１２の鉛直方向に対する傾斜度合いを検出するセンサであり、自身の位置が鉛直方向から所定時間の間に傾斜する量、例えば傾斜角速度を検出し、検出した角速度を電気信号に変換して出力可能に構成されている。検出した傾斜角速度に基づいた傾斜角速度信号を演算処理部１５に送信する。そして、移動体１の移動中に微小時間間隔で検出される、移動体の傾斜角速度を積分することで、移動体本体１０（胴体部１２）の傾斜量を求めることができる。なお、ジャイロから出力される電気信号は、図示しないフィルターを介してノイズ等が除去された後に、制御部１５に送信される。また、本実施形態では胴体部１２の移動方向（前後方向）についての傾斜角のみを検出するものを用いているが、左右方向についての傾斜角を検出するセンサを用いることも可能である。

制御部１５は、所定のＣＰＵやメモリなどの記憶領域１５ａを備える小型のコンピュータであり、この記憶領域１５ａには、入力される信号に基づいて駆動輪を駆動する駆動量を決定するための所定のプログラムとともに、移動する移動領域に関するマップ情報などが記憶されている。この駆動輪を駆動するために入力される信号としては、前述のジャイロ１４から送信される傾斜角信号などが用いられる。

制御部１５は、移動体１の倒立状態を維持するための制御を行うための倒立制御を行う。すなわち、移動体１の駆動輪が床面Ｐに対して接地する接地点から鉛直方向に伸びる、車軸Ｃを通る直線と、移動体１の重心位置と車軸Ｃとを結ぶ直線とが目標傾斜角度η（例えばη＝０度）をなすように第１駆動輪Ｗ１、第２駆動輪Ｗ２の回転駆動を制御する。これによって、移動体が所定の倒立状態を維持し続けるように、前進および後退する移動動作を行うことができる。この傾斜角度ηは、前述したように移動体１に設けられたジャイロ３８によって求められる。このように、床面に対して接地する一対の駆動輪に適切なトルクが付与されることで、移動体本体が鉛直方向に対してなす傾斜角度がある一定の値を超えて増加しないように倒立状態が保たれ、かつ、その倒立状態を維持するように移動制御される。

そして、制御部１５は、駆動輪を倒立制御により駆動するだけではなく、所定の位置に対して駆動輪を移動させるように駆動輪の回転駆動を制御するような、いわゆる位置制御により駆動輪を駆動する制御を行うことができる。このような倒立制御と位置制御による駆動輪の駆動制御の切り換えは、制御部１５により自律的に判断して行うことが可能である。

なお、制御部１５は、駆動輪を駆動して倒立制御や位置制御を行うだけでなく、後述するように、アーム部（右腕部２１および左腕部２２）の駆動やハンド部（右ハンド部３１および左ハンド部３２）の駆動動作など、移動体１の全体の動作を制御する。特に、後述するハンド部により物体を把持するために、把持対象となる物体の形状や素材に対応する把持動作の制御データに関するデータテーブルを、前述した記憶領域１５ａ内に記憶しており、これらのデータテーブルから適宜制御データを読み出すことによって、ハンド部の動作を制御することができる。

さらに、制御部１５は、記憶領域１５ａに記憶したマップ情報などに基いて、その移動経路を自律的に作成する。このマップ情報は、移動する床面Ｐの全体形状に、略一定間隔に配置された格子点を結ぶグリッド線を仮想的に描写することで得られるグリッドマップから構成されており、このグリッド線で囲まれたグリッド単位を用いて、移動体１の自己位置に相当する場所や目標地点である移動終了点、および移動終了点における移動体１の移動方向などが特定される。なおグリッドマップにおける格子点の間隔は、移動体１の移動可能な曲率や絶対位置を認識する精度などの条件に応じて、適宜変更可能である。そして、制御部１５は、このグリッドマップ上において特定された自己位置を移動始点とし、この移動始点から目的地である移動終点までの移動経路を作成するとともに、駆動輪の回転数などから求めた移動速度や移動距離からリアルタイムに自己位置を算出し、作成された移動経路に沿って移動を行うように移動制御を行う。

バッテリー１６は、胴体部１２の表面から突出して設けられた図示しない被充電用端子に対して電気的に導通しており、充電ステーションに設けられた充電用端子と、前述の被充電用端子とを接触させることで、電力を供給され、充電される。

検出部１７は、胴体部１２の下方前面について左右対称に設置されており、各々赤外線レーザを照射するとともに、そのレーザの照射方向を水平方向および鉛直方向について揺動するように変化させ、その反射光を受光することで、胴体部１２の前面下方の床面形状を検出するものである。この検出部１７により検出された床面形状に関する情報によって、床面上に存在する段差や障害物等の凸部に関する高さや、移動体１の現在位置から凸部までの距離などが求められる。

頭部１１は、その前面にカメラ１１１、１１２を備えており、移動体１の周囲に存在する人物や物体を光学的に撮像し、その撮像データを制御部１５に送信する。制御部１５は、これらのカメラ１１１、１１２により得られた撮像データより、周囲の環境を判断し、自律的に移動する方向や行動パターンを選択し、駆動輪Ｗ１、Ｗ２やアーム部等の駆動制御を行う。

右腕部２１および左腕部２２は、胴体部１２にその一端が接続されるとともに、人間の肩部や肘部に相当する箇所に複数の関節部分を備え、これらの関節部分において自在に関節駆動可能に構成されている。この関節駆動により、右腕部２１および左腕部２２はその姿勢を自在に変更し、外観を変形させることができる。

また、これらの右腕部２１および左腕部２２の他端には、各々右ハンド部３１、左ハンド部３２が接続されている。これらのハンド部は、関節駆動する複数の指部と、これらの指部を支持する支持部とを備えており、制御部１５からの制御信号によってこれらの指部を関節駆動させることにより、頭部１１に備えられたカメラ１１１、１１２により認識した物体を把持することができる。なお、認識した物体の形状や素材に応じて、これらの指部の駆動する関節や駆動する力の大きさや速度が適宜選択される。

このように構成された移動体１が床面Ｐ上に存在する凸部としての段差を乗り越えて移動する動作について、図４から図７に示す図と、図８に示すフローチャートを用いて説明する。なお、図４に示すように、床面Ｐ上においては、３段の段差Ｓ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）が存在し、その段差の側面上方には段差の傾斜に沿って伸びる手摺部材１００が図示しない壁に固定されているものとする。

図４は、床面Ｐ上を移動する移動体１が、カメラ１１１，１１２により段差Ｓ１を光学的に認識して、移動体１の胴体部１２の前面から段差Ｓ１までが所定距離だけ離れた位置で停止した様子を示している。この状態で、移動体１は検出部１７により段差Ｓ１の正確な位置や形状（高さ、幅など）を検出する（ＳＴＥＰ１０１）。検出された段差Ｓ１についての情報は、制御部１５の所定の記憶領域１５ａに記憶される。

そして、段差Ｓのうち、段差Ｓ１の前面Ｓ１ａ（移動体１側の側面）に対して移動体１の駆動輪Ｗ１，Ｗ２が略垂直に向くようにその位置と姿勢を調整し（ＳＴＥＰ１０２）、段差Ｓ１の前面Ｓ１ａに対して駆動輪Ｗ１、Ｗ２が接触するまでの距離Ｌ１を求める（ＳＴＥＰ１０３）。この距離Ｌ１は、段差Ｓ１の高さや、駆動輪Ｗ１、Ｗ２の径などに基づいて求められる。

次に、移動体は、図５に示すように、駆動輪Ｗ１およびＷ２が段差Ｓ１の前面Ｓ１ａに接触する位置にまで両駆動輪を駆動させる（ＳＴＥＰ１０４）。この駆動輪Ｗ１およびＷ２が段差の前面に接触した状態は、前述のように求めた距離Ｌ１だけ移動するように駆動輪を駆動することにより得られるが、検出部１７により検出する段差までの距離には誤差が含まれるため、駆動輪Ｗ１、Ｗ２を駆動させる駆動量を距離Ｌ１に基づいた目標駆動量として制御しつつ、これらの両駆動輪が段差Ｓ１の前面に接触すると駆動輪の駆動を停止するように制御することが好ましい。

このように、駆動輪Ｗ１、Ｗ２が段差Ｓ１の前面Ｓ１ａに接触した状態で、移動体Ｓ１はカメラ１１１，１１２を用いて外部の固定部材を探す。そして、画像マッチングなどの手法により、手摺部材１００を固定部材として認識すると、この手摺部材１００のハンド部（本実施形態においては左ハンド部３２）で保持する保持位置Ｈ１を選択する（ＳＴＥＰ１０５）。この保持位置Ｈ１は、ハンド部が手摺部材１００を保持可能な位置のうち、ハンド部が胴体部１２から最も遠ざかる位置にアーム部（本実施形態においては左腕部２２）が選択される。

そして、選択された保持位置Ｈ１の相対位置座標を算出し、ハンド部（左ハンド部３２）で手摺部材１００の保持位置Ｈ１を把持するように、アーム部（左腕部２２）の関節を駆動させてアーム部を変形させるとともに、ハンド部の指部の関節駆動を行う（ＳＴＥＰ１０６）。図６は、このように移動体１がハンド部により固定部材としての手摺部材１００を把持した状態を示している。

次に、ハンド部により手摺部材を把持した後に、制御部１５は、それまで駆動輪Ｗ１，Ｗ２を駆動させて行っていた倒立制御を中止し、駆動輪の駆動制御を位置制御に切り換える（ＳＴＥＰ１０７）。このとき、移動体１は駆動輪の回転制御は倒立状態を維持せず、ハンド部が手摺部材１００を把持することで、その倒立状態が維持されている。すなわち、ハンド部で手摺部材を把持した位置で移動体が停止するように駆動輪の回転が駆動されるため、移動体１は、手摺部材を把持した状態で停止することになる。

そして、移動体は段差Ｓ１上の目標地点へ移動するために必要な駆動輪の回転量を求めるとともに、アーム部（左腕部２２）の関節駆動量を求める。すなわち、ハンド部で手摺部材１００を把持して停止した駆動輪の接地位置から、段差Ｓ１上の目標地点までの水平方向の距離と、鉛直方向の高さとを求め、これらの距離と高さとに基づいてアーム部の関節駆動量を決定するとともに、駆動輪の回転駆動量を決定する（ＳＴＥＰ１０８）。

このように、アーム部の関節駆動量と、駆動輪の回転駆動量とが決定されると、アーム部を駆動して移動体１の移動体本体１０を手摺部材１００の保持位置Ｈ１にあるハンド部に近づけるように変形させると同時に、駆動輪Ｗ１，Ｗ２とを回転させる（ＳＴＥＰ１０９）。これによって、図７に示すように、移動体１の駆動輪Ｗ１，Ｗ２は段差Ｓ１を乗り越え、段差Ｓ１上の目標地点に到達することができる。

そして、段差Ｓ１上の目標地点に到達した移動体１は、駆動輪Ｗ１、Ｗ２の回転制御を位置制御から倒立制御に切り換える（ＳＴＥＰ１１０）とともに、ハンド部（左ハンド部３２）の関節を駆動し、把持していた手摺部材からハンド部を離間させる（ＳＴＥＰ１１１）。これによって、移動体１は段差Ｓ１上で倒立状態を駆動輪の回転駆動により維持することができる。

さらに、移動体１は、カメラ１１１，１１２によって前方を撮像し、段差がさらに存在するか否かを判定する（ＳＴＥＰ１１２）。そして、さらに段差が存在しなければ、駆動輪を倒立制御により回転制御をしつつ、マップ情報に基づいて自律的な移動制御を継続する（ＳＴＥＰ１１３）。また、段差が存在する場合は、ＳＴＥＰ１０１に戻って検出部１７により再度段差の位置や形状（高さ、幅など）を検出し、段差を乗り越える動作を行う。このような段差を乗り越える動作を、段差が検出されなくなるまで繰り返す。本実施形態の場合は、床面Ｐ上に段差Ｓ２および段差Ｓ３が存在するため、段差Ｓ３を乗り越えるまでこのような動作が継続される。

発明の実施形態２．
次に、本発明の第２の実施形態について、図９から図１４を用いて説明する。なお、本実施形態において、前述の第１の実施形態において説明した構成と同一または同様の構成については、同一の符号を付して、その説明および図示を省略するものとする。

図９は、段差Ｓ１を有する床面Ｐ上を、搭乗者を搭乗した状態で、倒立制御をしつつ、搭乗者の操作により移動制御される搭乗型の移動体（以下、単に移動体という）１'を側方から見た様子を概念的なモデルを用いて示す概念図である。この移動体１'は、前述の実施形態と同様に、断面円形の回転体として、一対の対向する２つの車輪（Ｗ１，Ｗ２）を備えるとともに、床面Ｐ上に部分的に搭乗された物体（障害物）を避けるように移動可能に構成されている。なお、図９から図１３においては、移動体１'に搭乗する搭乗者については図示を省略している。

図９に示すように、移動体１'は、搭乗者を搭乗する搭乗台４０を備える移動体本体１０'と、移動体本体１０'に対して一体的に固定された支持部材１０ａに対して各々独立して回転駆動可能な、1対の対向する回転体としての第１駆動輪Ｗ１および第２駆動輪Ｗ２と、を備えている。

さらに、移動体１は、車軸Ｃを中心として駆動輪Ｗ１、Ｗ２を回転駆動するための、駆動部としての図示しないモータと、これらのモータに電力を供給する図示しないバッテリーとを備えている。

移動体本体１０'は、所定形状のフレームの内部に、前述のモータの回転駆動動作を制御するための制御部と、ジャイロと、搭乗台４０に搭乗した搭乗者によって操作可能な位置に操作部５０とを備えている。操作部５０は、前述の搭乗台４０に搭乗した搭乗者の側方に設けられた操作レバーと、この操作レバーの操作量および操作方向によって、移動する速度および移動する方向等を指示する指示信号を制御部に送信する図示しない送信部とを備えている。すなわち、搭乗台４０に搭乗した搭乗者による操作レバーの操作量に基いて、移動体本体１０'の鉛直方向に対して傾斜した状態を示す擬似信号が送信され、この擬似信号を受信した制御部は、認識した傾斜状態に合わせて駆動輪を駆動する速度等を決定する。詳細には、前記擬似信号は、移動体本体の鉛直方向に関する傾斜角または傾斜角速度を示す信号が用いられる。このように操作レバーの操作量および操作方向によって、制御部において、移動体１を移動させる方向および速度が認識される。

本実施形態において、制御部は、内部に演算処理部やメモリ等の記憶部を備えるコンピュータであり、搭乗者による操作部５０の操作に加えた操作に追従して、駆動輪を駆動するモータの回転駆動動作を制御し、移動体１の前進、後退、停止、右折、左折、左旋回、右旋回等の動作を行わせることができる。詳細には、制御部から送信された電気信号に基づいて、モータは第１駆動輪Ｗ１、第２駆動輪Ｗ２を回転駆動し、かつ、現在の回転駆動量をリアルタイムに制御部にフィードバックする。制御部は、フィードバックを受けた信号に基づいてモータを駆動させる量を調整し、これによって、後述するような移動体本体１０'の倒立状態を維持して移動体を停止または移動させる、いわゆる倒立制御を行うことができる。

このように構成された移動体は、制御部において移動体の傾斜していると認識された方向に対して駆動輪を進める。また、床面に対して接地する一対の駆動輪に適切なトルクが付与されることで、移動体本体が鉛直方向に対してなす傾斜角度がある一定の値を超えて増加しないように倒立状態が保たれ、かつ、その倒立状態を維持するように移動体１の移動制御される。

また、移動体本体１０'に設けられた搭乗台４０は、搭乗者が着座するための平面板状の座席４２と、搭乗者の背面を支持するための背当て部４１と、脚支持部４３と、足搭乗部４４とを備えている。背当て部４１は座席４２に対して上方に向けて略垂直方向に起立するように固定され、着座した搭乗者が後方に向かって重心をかけた際に背中全体と接触し、その体重を支持する。同様に、脚支持部４３は、着座した搭乗者の脚部に接触し、その重量を部分的に支持するように、座席４２に対して略鉛直下方に伸びるように一端が固定されており、その他端に足搭乗部４４が固定されている。そして、足搭乗部４４は、着座した搭乗者の脚部の膝部分が略垂直に曲がった状態で足平底面が面接触するように、所定の形状および大きさに設計されている。

背当て部４１には、その前方に向けてアーム部の一端が接続されており、このアーム部の他端にはハンド部が接続されている。このアーム部およびハンド部は、背当て部４１の左右側に各々接続されているが、図９においては左側のみのアーム部（アーム部２２）およびハンド部（左ハンド部３２）を図示するものとする。アーム部は、関節駆動および摺動動作によってその長さおよび姿勢を自在に変化させることが可能であり、このようにアームの姿勢を変化させることで、アームの先端に設けられたハンド部で所望の対象物を把持させることができる。

さらに、足搭乗部４４の底面には検出部１７が設けられており、搭乗者が操作部５０を操作することで、移動体本体１０'の前面下方の床面形状を検出する。この検出部１７により検出された床面形状に関する情報、すなわち床面上に存在する段差や障害物等の凸部に関する高さや、移動体１'の現在位置から凸部までの距離などは、制御部１５に送信され，記憶される。

また、足搭乗部４４の底面には、略鉛直方向に対して伸縮自在に構成された補助輪支持部材に固定された補助輪６０が回動自在に固定されている。補助輪６０は、補助輪支持部材が伸びた状態で、床面Ｐに接地する場合は、第１駆動輪Ｗ１、第２駆動輪Ｗ２、および補助輪６０の３点で安定して床面Ｐ上で倒立可能な状態となる。一方、補助輪支持部材が収縮し、補助輪６０が床面から離間する場合は、第１駆動輪Ｗ１および第２駆動輪Ｗ２のみが床面Ｐに接地し、これらの駆動輪の回転駆動量を制御することで、倒立状態が維持される。この補助輪６０の位置を移動させるための補助輪支持部材を伸縮させる切り換えは、後述する操作部からの信号、あるいは前述の駆動輪を回転駆動できないような異常が生じたことが検出された際に出力される信号等をトリガーとして、制御部によって行われる。

次に、このように構成された移動体１'が、前述のような床面Ｐ上に存在する段差Ｓ１〜Ｓ３を乗り越えるための制御について、図１４に示すフローチャートを用いて説明する。なお、このような移動体１'が段差を乗り越える様子については、図９から図１３に示す概念図を用いて図示する。

床面Ｐ上を移動する移動体１'に搭乗した搭乗者は、床面Ｐ上に段差Ｓ１を発見すると、操作部５０を操作する。これによって、検出部１７により段差Ｓ１の正確な位置や形状（高さ、幅など）が検出され、検出された段差Ｓ１についての情報は、制御部１５の所定の記憶領域に記憶される（ＳＴＥＰ２０１）。そして、段差Ｓのうち、段差Ｓ１の前面Ｓ１ａ（移動体１側の側面）に対して移動体１の駆動輪Ｗ１，Ｗ２が略垂直に向くようにその位置と姿勢を調整する（ＳＴＥＰ２０２）。

次に、ハンド部により手摺部材を把持した後に、搭乗者は操作部５０を操作して、図１０に示すように、補助輪支持部材を伸ばし、補助輪６０を床面Ｐ上に接触させる（ＳＴＥＰ２０３）。これによって、移動体１'は駆動輪（Ｗ１，Ｗ２）と補助輪６０との３点で床面に接地することにより、安定した状態に移行する。

補助輪６０が床面Ｐ上に接触すると、制御部はそれまで駆動輪Ｗ１，Ｗ２を駆動させて行っていた倒立制御を中止し、駆動輪の駆動制御を自律的に位置制御に切り換える（ＳＴＥＰ２０４）。このとき、制御部は駆動輪を倒立状態を維持するように駆動せず、操作部５０により指令された移動距離のみに追従して駆動輪を回転駆動させる。

次に搭乗者は、図１１に示すように、移動体１'の補助輪６０が段差Ｓ１の前面Ｓ１ａに当接する位置にまで両駆動輪を駆動させる（ＳＴＥＰ２０５）。この駆動輪の動作は、操作部５０を操作することにより行われる。本実施形態においては、段差に対して補助輪が接触するまで移動する移動動作は搭乗者の操作により行われるが、前述の実施形態と同様に、検出部１７により検出した、補助輪６０と段差Ｓ１の前面との距離を求め、自動的に移動する距離を求め、自律的に移動体を移動させるようにしてもよい。

このように、補助輪６０が段差Ｓ１の前面Ｓ１ａに当接した状態で、搭乗者は、外部の固定部材を発見し、手摺部材１００を固定部材として認識すると、手摺部材１００をハンド部（左ハンド部３２）で保持させるように、操作部５０を操作する。これによって、図１２に示すように、アーム部の姿勢が変化し、ハンド部が関節駆動することにより、手摺部材１００を把持する（ＳＴＥＰ２０６）。

そして、搭乗者が操作部５０を操作することにより、制御部は段差Ｓ１上の目標地点へ移動するために必要な駆動輪の回転量を求めるとともに、アーム部（左腕部２２）の関節駆動量を求める。すなわち、ハンド部で手摺部材１００を把持して停止した駆動輪の接地位置から、段差Ｓ１上の目標地点までの水平方向の距離と、鉛直方向の高さとを求め、これらの距離と高さとに基づいてアーム部の関節駆動量を決定するとともに、駆動輪の回転駆動量を決定する（ＳＴＥＰ２０７）。

このように、アーム部の関節駆動量と、駆動輪の回転駆動量とが決定されると、アーム部を駆動して移動体本体１０'を手摺部材１００を把持するハンド部に近づけるように変形させると同時に、駆動輪Ｗ１，Ｗ２とを回転させる（ＳＴＥＰ２０８）。これによって、図１３に示すように、移動体１'の補助輪６０および駆動輪Ｗ１，Ｗ２は段差Ｓ１を乗り越え、移動体１'は段差Ｓ１上の目標地点に到達することができる。

そして、段差Ｓ１上の目標地点に到達した移動体１は、駆動輪を位置制御で駆動制御した状態のまま、ハンド部（左ハンド部３２）の関節を駆動し、把持していた手摺部材からハンド部を離間させる（ＳＴＥＰ２０９）。このとき、移動体１'は駆動輪と補助輪によって安定した倒立状態が維持される。さらに搭乗者は、床面Ｐ上にさらに段差が存在するか否かを判断し（ＳＴＥＰ２１０）、存在する場合には、操作部５０を操作して次の段差を乗り越えるために、ＳＴＥＰ２０５に戻って段差の前面に補助輪６０を接触させる位置まで移動させ、同様の操作を行ってハンド部で手摺部材を把持させて段差を乗り越える。本実施形態においては、さらなる段差が存在しないため、駆動輪の駆動制御を位置制御から倒立制御へ切り換えた後（ＳＴＥＰ２１１）、補助輪支持部材を収縮させて補助輪６０を床面から離間させる（ＳＴＥＰ２１２）。その後、床面Ｐ上を操作部５０を操作することで移動する動作を継続する（ＳＴＥＰ２１３）。

以上、説明したように、本実施形態における移動体によると、回転体（駆動輪）を倒立制御から位置制御に切り換えて回転駆動させる際に、補助輪を床面に接触させて安定した状態で移動させることで、移動体をより安定した状態として段差を乗り越えさせることができる。

なお、前述の第１の実施形態および第２の実施形態においては、移動体の備える回転体が、１対の対向する２つの駆動輪である場合について説明しているが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、前述の回転体として１または複数の球形状の駆動輪を用いることも可能であり、特に、１の球形状の駆動輪を用いた場合は、前後方向だけでなく、左右方向についての倒立制御を行う必要があるが、この左右方向についても前述のような搭乗台に搭乗された物体（搭乗者）の位置を変位させて、その傾斜度合いを調整してもよい。このようにすると、搭乗台に搭乗した搭乗者の乗り心地がより向上する。

また、前述のような移動体の傾斜度合い（傾斜各速度など）を検出する手段としては、ジャイロセンサに限られるものではなく、傾斜角や傾斜角速度等の計測に用いることが可能な計測手段、例えば重力加速度センサや錘吊り下げ方傾斜角速度計などを用いることも可能である。

なお、前述の実施形態においては、搭乗台に搭乗者が搭乗して操作部を操作することにより移動する場合を説明しているが、搭乗台に物体を載置させた状態で移動体を自律的に移動させるものであってもよい。すなわち、本発明に係る移動体を、例えば工場内や家庭内で物体を移動するキャリアとして用いることも可能である。この場合、搭乗台に搭乗される物体として、振動を与えることが好ましくないもの、例えば液体や精密部品といった搬送対象であっても、安定して段差を乗り越えさせるように移動させることが可能となる。この場合、移動体は、前述のような搭乗者の操作により移動を制御するものではなく、移動体に設けられた周囲の環境を認識するセンサ（赤外線センサなど）からの信号により、自己の動きを自律的に制御するものであってもよい。また、予め定められた移動経路に従って移動するような移動体においても本発明を好適に用いることが可能である。

第１の実施の形態に係る倒立型移動体であって、その外観を概略的に示す概略図である。 図１に示す移動体を側方から見た様子を概念的なモデルを用いて示す概略図である。 図１に示す移動体の移動体本体の内部構成を概念的に表すブロック図である。 図１に示す移動体が、段差を有する床面を移動する様子を示す概略図である。 図１に示す移動体が段差に向かって移動し、駆動輪を段差の前面に当接させた様子を示す概略図である。 図１に示す移動体が、ハンド部で手摺部材を把持した様子を示す概略図である。 図１に示す移動体が、手摺部材を把持した状態のまま、アーム部および駆動輪を駆動して段差を乗り越えた様子を示す概略図である。 図１に示す移動体が、床面を移動して段差を乗り越えるまでのフローを説明するフローチャートである。 第２の実施の形態に係る倒立型移動体であって、その側方外観を概略的に示す概略図である。 図９に示す移動体が、段差を有する床面に補助輪を当接させた様子を示す概略図である。 図９に示す移動体が、段差を有する床面に当接する補助輪を段差の前面に接触させた様子を示す概略図である。 図９に示す移動体が、ハンド部で手摺部材を把持した様子を示す概略図である。 図９に示す移動体が、手摺部材を把持した状態のまま、アーム部および駆動輪を駆動して段差を乗り越えた様子を示す概略図である。 図９に示す移動体が、床面を移動して段差を乗り越えるまでのフローを説明するフローチャートである。

符号の説明

１，１'・・・移動体（倒立型移動体）
１０，１０'・・・移動体本体
１４・・・ジャイロ
１５・・・制御部
１６・・・バッテリー
１７・・・検出部
２１・・・右腕部（アーム部）
２２・・・左腕部（アーム部）
３１・・・右ハンド部（保持部）
３２・・・左ハンド部（保持部）
４０・・・搭乗台
４１・・・背当て部
４２・・・座席
４３・・・脚支持部
４４・・・足搭乗部
６０・・・補助輪
１００・・・手摺部材（固定部材）
１３１，１３２・・・モータ
Ｗ１，Ｗ２・・・駆動輪（回転体）

Claims (6)

1. 断面が円形の回転体と、
   前記回転体を回転駆動させる駆動部と、
   前記駆動部を制御し、回転体の回転駆動を制御する制御部と、
   前記回転体を保持する移動体本体と、
   前記移動体本体に接続されたアーム部と、
   前記アーム部の先端に接続された保持部と、を備える倒立型移動体であって、
   前記アーム部が、移動体本体と保持部との相対位置を変位可能に変形可能に構成されるとともに、
   前記制御部が、床面に接する前記回転体の回転駆動を制御することで移動体本体の倒立状態を維持する倒立制御と、所定の位置に対して回転体を移動させるように回転体の回転駆動を制御する位置制御とを切り換えて回転体の回転を制御可能であり、
   前記制御部が、外部に存在する固定部材を前記保持部で保持した状態のアーム部を変形する際に、移動体本体を前記保持部に近づけるように、回転体の回転駆動を制御することを特徴とする倒立型移動体。
2. 前記アーム部が、移動体本体を前記保持部に対して相対的に鉛直上方に近づける方向に変形可能であることを特徴とする請求項１に記載の倒立型移動体。
3. 前記アーム部が、１以上の駆動する関節を備え、この関節を駆動することで変形することを特徴とする請求項１または２に記載の倒立型移動体。
4. 前記保持部が関節駆動により動作する１以上の指部材を備え、この指部材により固定部材を把持するハンド部であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の倒立型移動体。
5. 回転体の接する床面に存在する凸部を光学的に検出する検出部をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の倒立型移動体。
6. 前記検出部が検出した凸部の鉛直方向の高さに基づいて、前記アーム部の変形する度合いを決定することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の倒立型移動体。

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