JP2009090751A - 操舵装置、操舵装置を備えた搭乗型移動体、および移動体の操舵方法 - Google Patents

Abstract

【課題】操作者の直感的な操作により移動を制御することを可能とするとともに、移動の制御のために十分な応答性と操作性を確保した、移動体を操舵するための操舵装置、操舵装置を備えた移動体、および移動体を操舵するための操舵方法を提供すること。
【解決手段】移動手段を有する移動体を操舵する操舵装置において、操作部と、操作部に加えられた力の大きさとその方向とに基づく物理量を検出する検出部と、検出部により検出した物理量に基づいて移動手段を駆動し、移動体の移動量および移動方向を制御する制御部と、を設け、前記制御部が、検出部により検出された物理量が所定の閾値を超えるまでは前記物理量の大きさの影響を受けずに移動量の制御を行う不感帯を設定するとともに、移動体の移動する速度に応じて前記閾値の値を決定するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動体を操舵するための操舵装置、および該操舵装置を備えた移動体、および移動体を操舵するための操舵方法に関する。

移動体の移動する方向や移動量（速度、加速度）を制御するための操舵装置として、一般の車両に用いられる円形状の操舵装置（ハンドル）が用いられている。このような操舵装置は、操作者の操作量に比してその移動量を決定するとともに、操作方向により移動体の移動方向を決定する。このような円形状の操舵装置は、機械的なリンクによってステアリングラックに直接接続され、円運動に沿った操舵装置の操作を直線運動に変換する構造を備えている。そのため、十分な剛性を備えるようにしなければならないとともに、車両の構造に組み込む際に安全性を考慮した設計を行わなければならないという、設計上の制約を有することになる。

そこで、車椅子やカートのような小型の車両や、工作機械をなど操作するために用いられる操舵装置として、その操作性や内部スペースの観点からより簡易な構成を有する操舵装置が用いられつつある。具体的には、棒状のレバーや、ハンドリム状の操作子を操作することで操舵を行うジョイスティック型の操舵装置が一般に知られている。（例えば特許文献１，２，３）

例えば特許文献１に記載の操舵装置は、操作者の操作したジョイスティックの左右の操舵角を検出し、検出した操舵角の大きさに応じて車輪の駆動量を制御する一方、検出した操舵角の大きさに応じてジョイスティックの操舵反力を付与するように構成されている。これにより、ジョイスティックを戻す際に適度な抵抗が得られ、操作者はジョイスティックを戻す操作を行う際に、微妙な操作を意図通りに行うことができる。

一方、特許文献２に記載の操舵装置は、測定器や工作機械に用いるものであり、ジョイスティックの操作した量のうち、一定の範囲までをソフトウェア上の不感帯とするものである。この発明においては、不感帯の幅を決定する手法として、ジョイスティックの揺れ角に応じて出力された電圧信号を一定のサンプリング周期でサンプリングし、１サンプリング周期あたりの変化量を所定の閾値と比較し、該変化量が閾値を超えた場合に、不感帯を無視するという手法を用いている。

特許文献３に記載の発明には、電動車椅子に用いる操舵装置が開示されている。この発明は、ジョイスティック型の操舵装置に代えて左右のハンドリムを操舵装置として用い、これらのハンドリムを回転させることで車椅子の車輪の制御を行うものであり、これによって、移動速度等の制御を行う操作性を高めることを目的としている。

しかしながら、これらいずれにおいて開示された技術も、操作者の操作量に比してその移動量を決定するものであり、操作者の直感的な操作により移動を制御するものとは言えない。
特開２００５−３０６１８４号公報 特開平８−２８１５８４公報 特開２０００−６０９０４号公報

そこで、操作者の操作により加えられた力に基づいて移動の制御を行うことで、直感的な操作により移動体の移動制御を可能とする操舵装置を用いることが考えられる。しかしながら、このような操舵装置は、操作者の加えた力に直ちに応答するため、応答性が高い反面、方向性や移動量の微妙な制御を行うための操作が難しいという問題がある。

そこで、操作者により加えられた力に対する不感帯を大きく設定すると、加えられた小さな力に対する応答を無くす応答性が低下し、また、不感帯を小さく設定すると、操作性が十分に得られなくなる。

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、操作者の直感的な操作により移動を制御することを可能とするとともに、移動の制御のために十分な応答性と操作性を確保した、移動体を操舵するための操舵装置、操舵装置を備えた移動体、および移動体を操舵するための操舵方法を提供することを目的としている。

本発明にかかる操舵装置は、移動手段を有する移動体を操舵するものであり、操作部と、操作部に加えられた力の大きさとその方向とに基づく物理量を検出する検出部と、検出部により検出した物理量に基づいて移動手段を駆動し、移動体の移動量および移動方向を制御する制御部と、を備えるとともに、前記制御部が、検出部により検出された物理量が所定の閾値を超えるまでは前記物理量の大きさの影響を受けずに移動量の制御を行う不感帯を有しているとともに、移動体の移動する速度に応じて前記閾値の値を決定することを特徴としている。

すなわち、加えられた力に基づく移動制御を行う操舵装置の場合、移動体の移動速度、すなわち操作者の体感速度によって、操作者が加える力に大きな違いが生じる。そこで、移動体の移動速度に応じて不感帯の幅を定める閾値を適切に選択して決定することにより、操作者の体感速度ごとに異なる操作力のばらつきを吸収することができる。このように、操作者ごとの操作力のばらつきが小さくなった後に操作者の加えた力に応じた移動制御を行うことで、操作者の直感的な操作に基づく移動を行う際に、十分な応答性と操作性を確保することが可能となる。なお、本発明でいう「移動量」とは、移動体の進行方向へ進む量だけではなく、方向を変更する量、すなわち通常のハンドル操作でいうステアリングの回転角度（回転量）をも含めてもよい。

このような制御の好適な一例としては、例えば、停止時から一定の速度に達するまでは、前記閾値以上の物理量が制御部に入力された場合に、前記物理量の大きさの影響を受けずに移動量の制御を行うことが考えられる。一般的に、移動する初期（移動開始から一定の速度に到達するまで）において、複数の操作者の操作力を実験的に抽出してみると、操作者毎によって加える操作力に大きな隔たりがあることが既に知られている。そこで、例えば移動体が移動を開始し始めてから一定の速度に到達するまでは不感帯の幅を大きくとり、前記物理量の大きさに影響を受けない移動速度の制御を行うとともに、一定速度に到達した後は操作者の加えた力に基づく物理量に応じて移動量を制御することで、操作者の直感的な操作に基づく移動量の制御を行う際に、より十分な応答性と操作性を確保することが可能となる。

また、このような操舵装置は、移動体が所定以上の速度で移動する際において、所定の大きさ以上の物理量が所定の時間以上制御部に入力された場合に、移動体の速度を一定に保つように移動量を制御するように構成されていると、より好適である。すなわち、操作力によって移動量を制御する場合、長時間操作部に力を加え続けると操作者の操作負荷が大きくなるため、このような一定時間以上の操作力が付与された場合に速度を一定に保つような制御を加えることで、操作者の操作負荷を低減することが可能となる。このような速度を一定に保つ制御は、移動する方向について付与する加速度を一定にしてもよいし、移動体が摩擦等の影響によって減速する分を補填するだけ加速度を付与する等の制御であってもよい。なお、移動体の速度を一定に保つ制御は、操作者によって減速する方向（移動している方向と逆方向）についての操作力が加えられるまで続けられるように制御すると、さらに好適である。

なお、前記物理量としては、操作部に加えられた力の積分値を含めることが好ましい。操作部に加えられた力の積分値に基づいて移動体の移動量を制御することで、操作者の操作した動作と移動体の移動とが感覚的に一致するため、操作者の直感的な操作に基づく移動をより確実に行うことができる。

また、前記制御部は、入力された物理量に特定のゲインを乗じた値に基づいて移動量および移動方向を制御するとともに、移動体が移動する速度に応じて前記ゲインの大きさを変化可能であるように構成されていると、より好ましい。このようなゲインの大きさを変化させる一例としては、例えば、移動体の速度が高いほど、ゲインを大きく変化させることが考えられる。このようにすると、高速移動時の回転角度（ステア）の応答性が高くなるため、高速時における障害物等を回避するといった操作がしやすくなるという効果が得られる。

なお、前記操作部の具体的な構成としては、弾性体を介して検出部に固定された、把持可能な棒状部材を備えたものであってもよく、前記検出部が、該棒状部材を操作することで前記弾性体に加えられた力の大きさおよび方向に基づく前記物理量を検出するような、いわゆるジョイスティック型の操舵装置であってもよい。このように構成された操舵装置は、操作者により与えられた操作力を確実に操舵する制御に結びつけることができるので、好適である。

なお、前述のように構成された操舵装置の場合、前記操作部の長さ方向について一定以上の力が加えられた際に、前記制御部が移動体を停止させるように制御を行ってもよい。このようにすると、ジョイスティック型の操舵装置の場合、緊急停止（急ブレーキ）を行いたい場合に、別途緊急停止用の操作手段を設けることなく、緊急停止を行うことが可能となる。

また、このような操舵装置においては、移動体を停止させるか否かを判断するための手段として、前記操作部の表面に生体センサを設けてもよい。この生体センサにより取得した信号に基づいて移動体を停止させるか否かを判断することで、操作者の操作遅れ等に影響する停止タイミングの遅れを低減することが可能となる。

また、本発明は、搭乗者が操舵装置を操作することで操舵可能な搭乗型移動体をも提供するものであり、この搭乗型移動体は、移動手段と、搭乗者により操作される操作部と、 操作部に加えられた力の大きさとその方向とに基づいた物理量を検出する検出部と、検出部により検出した物理量に基づいて移動手段を駆動し、移動体の移動量および移動方向を制御する制御部と、を備え、前記制御部が、検出部により検出された物理量が所定の閾値を超えるまでは前記物理量の大きさの影響を受けずに移動量の制御を行う不感帯を有しているとともに、移動体の移動する速度に応じて前記閾値の値を決定することを特徴としている。

このような搭乗型移動体は、移動体の移動速度に応じて不感帯の幅を定める閾値を適切に選択して決定することにより、操作者の体感速度ごとに異なる操作力のばらつきを吸収することができる。そのため、操作者ごとの操作力のばらつきが小さくなった後に操作者の加えた力に応じた移動制御を行うことができ、操作者の直感的な操作に基づく移動を行う際に、十分な応答性と操作性を確保することが可能となる。

また、前記物理量としては、操作部に加えられた力の積分値を含むことが好ましい。操作部に加えられた力の積分値に基づいて移動体の移動量を制御することで、操作者の操作した動作と移動体の移動とが感覚的に一致するため、操作者の直感的な操作に基づく移動をより確実に行うことができる。

また、前記搭乗型移動体においては、停止時から一定の速度に達するまでは、前記閾値以上の物理量が制御部に入力された場合に、前記物理量の大きさの影響を受けずに移動量の制御を行うように制御することが好ましい。例えば移動体が移動を開始し始めてから一定の速度に到達するまでは不感帯の幅を大きくとり、前記物理量の大きさに影響を受けない移動速度の制御を行うとともに、一定速度に到達した後は操作者の加えた力に基づく物理量に応じて移動量を制御することで、操作者の直感的な操作に基づく移動量の制御を行う際に、より十分な応答性と操作性を確保することが可能となる。

また、このような搭乗型移動体においては、所定以上の速度で移動する際において、所定の大きさ以上の物理量が所定の時間以上制御部に入力された場合に、移動体の速度を一定に保つように移動量を制御することが望ましい。このような一定時間以上の操作力が付与された場合に速度を一定に保つような制御を加えることで、操作者が長時間操作力を付与するといった操作負荷を低減することが可能となる。このような速度を一定に保つ制御は、移動する方向について付与する加速度を一定にしてもよいし、移動体が摩擦等の影響によって減速する分を補填するだけ加速度を付与する等の制御であってもよい。

また、前記制御部が、入力された物理量に特定のゲインを乗じた値に基づいて移動量および移動方向を制御するとともに、移動体が移動する速度に応じて前記ゲインの大きさを変化可能であってもよい。例えば、移動体の速度が高いほど、ゲインを大きく変化することで、高速移動時の回転角度（ステア）の応答性が高くなるため、高速時における障害物等を回避するといった操作がしやすくなるという効果が得られる。

また、前記操作部が、弾性体を介して検出部に固定された、把持可能な棒状部材を備えており、前記検出部が、該棒状部材を操作することで前記弾性体に加えられた力の大きさおよび方向に基づく前記物理量を検出する、いわゆるジョイスティック型の操作部であってもよい。このように構成された操作部は、操作者により与えられた操作力を確実に移動体を操舵する制御に結びつけることができる。

また、前記操作部の長さ方向について一定以上の力が加えられた際に、前記制御部が移動体を停止させてもよい。このようにすると、緊急停止（急ブレーキ）を行うための操作手段を別途設けることなく、緊急停止を行うことが可能となる。

また、前記操作部の表面に生体センサを設け、前記制御部が、前記生体センサにより取得した信号に基づいて移動体を停止させるか否かを判断するものであってもよい。この生体センサにより取得した信号に基づいて移動体を停止させるか否かを判断することで、操作者の操作遅れ等に影響する停止タイミングの遅れを低減することが可能となる。

なお、前記移動手段としては、特にその形態は限定されないが、与えられたトルクにより駆動する車輪型の移動手段であってもよい。このような車輪型の移動手段の場合、加速や減速がスムーズに行われ、高速での移動を行うことが可能であるため、操作者の直感的な操作に基づく移動を行う際に、十分な応答性と操作性を確保することがより重要となり、本発明を適用した際により大きな効果が得られる。

また、本発明は、移動手段を有する移動体を操舵するための操舵方法をも提供するものであり、この操舵方法は、操作部に加えられた力の大きさとその方向とに基づく物理量を検出する物理量検出ステップと、検出した物理量が所定の閾値を超えるか否かを比較する比較ステップと、検出した物理量が前記閾値を超えない場合に、該物理量の大きさに影響を受けず、移動手段を駆動し、移動体の移動量および移動方向を制御する第１の制御ステップと、検出した物理量が前記閾値を超える場合に、該物理量に基づいて移動手段を駆動し、移動体の移動量および移動方向を制御する第２の制御ステップと、を備えるとともに、前記移動体の移動する速度を取得する速度取得ステップと、取得した速度に応じて前記閾値の大きさを決定する閾値決定ステップと、をさらに備えることを特徴としている。

このような操舵方法を用いると、移動体の移動速度に応じて不感帯の幅を定める閾値を適切に選択して決定することにより、操作者の体感速度ごとに異なる操作力のばらつきを吸収することができる。そのため、操作者ごとの操作力のばらつきが小さくなった後に操作者の加えた力に応じた移動制御を行うことができ、操作者の直感的な操作に基づく移動を行う際に、十分な応答性と操作性を確保することが可能となる。

また、前記制御ステップが、検出した物理量に特定のゲインを乗じた値に基づいて移動量および移動方向を制御するものであり、かつ、移動体が移動する速度に応じて前記ゲインの大きさを変化させるゲイン変化ステップをさらに備えるものであってもよい。このような操舵方法によると、例えば、移動体の速度が高いほど、ゲインを大きく変化することで、高速移動時の回転角度（ステア）の応答性が高くなるため、高速時における障害物等を回避するといった操作がしやすくなるという効果が得られる。

また、このような操舵方法は、移動体が所定以上の速度で移動しているか否かを判断する判断ステップをさらに備え、移動体が所定以上の速度で移動していると判断された際において、所定の大きさ以上の物理量が所定の時間以上制御部に入力された場合に、移動体の速度を一定に保つように移動量を制御する第３の制御ステップをさらに備えると、さらに好適である。このような一定時間以上の操作力が付与された場合に速度を一定に保つような制御を加えることで、操作者が長時間操作力を付与するといった操作負荷を低減することが可能となる。このような速度を一定に保つ制御は、移動する方向について付与する加速度を一定にしてもよいし、移動体が摩擦等の影響によって減速する分を補填するだけ加速度を付与する等の制御であってもよい。

以上、説明したように、本発明によると、操作者の直感的な操作により移動を制御することを可能とするとともに、移動の制御のために十分な応答性と操作性を確保した、移動体を操舵するための操舵装置、操舵装置を備えた移動体、および移動体を操舵するための操舵方法を提供することが可能となる。

発明の実施形態１．
以下に、図１から図９を参照しつつ本発明の実施の形態１にかかる操舵装置、および該操舵装置を備えた移動体について説明する。

図１は、本発明にかかる操舵装置１００を概念的に表す図であり、操作者によって操作される操作部１１０と、該操作部１１０を支持するためのベース部１２０と、操舵対象となる移動体（図示せず）の移動量および移動方向を制御するための制御部１３０と、を備えている。なお、ベース部１２０は、ベース部本体１２１と、操作部１１０をベース部本体１２１に支持するための弾性体１２２とを備えている。

操作部１１０は、紙面上の上下方向に伸びる棒状部材を備えており、該棒状部材の一端（下端）が弾性体１２２を介してベース部本体１２１に対して略鉛直方向に固定されている。そして、操作者は棒状部材を把持しつつ、ベース部本体１２１に対して特定の方向に傾斜させることで、弾性体１２２に対して歪みを与えることができる。例えば、操作部１１０を鉛直上方から見た様子を示す図２において、棒状部材の傾斜方向を、前方方向（図２中の矢印Ｆ方向）、後方方向（矢印B方向）、右方向（矢印Ｒ方向）、左方向（矢印Ｌ方向）のいずれかに傾斜させると、その方向および傾斜度合いに応じた歪みが弾性体に与えられることになる。

弾性体１２２は、強化ゴムやバネ等の既知の材質から構成されるものであり、図示は省略するが、その内部において、歪み方向および歪み度合いを測定する力覚センサ（例えば歪みゲージ等）の測定手段１２２ａが埋め込まれている。ベース部本体１２１は、その内部に弾性体に付与された操作力の大きさおよび方向を検出するための検出器１２１ａを備えており、測定手段１２２ａにより得られた歪み方向および歪み度合いに関する信号を、ベース部本体１２１に埋め込まれた検出器１２１ａで受信することで、前述の操作力の大きさおよび方向を検出する。すなわち、本発明でいう「検出部」は、前記歪みゲージ等の測定手段を備えた弾性体、および検出器により構成される。

制御部１３０は、検出した操作力の大きさを移動量に換算し、換算した移動量および移動方向を指示する信号を出力するコンピュータからなる。すなわち、制御部１３０においては、検出部により検出された操作力の大きさが入力されたのち、その操作力の大きさを移動体の移動量を制御するための物理量に換算する。換算する物理量の例としては、例えば歪みゲージにより測定された操作力の大きさＦの積分値（＝∫Ｆ△ｔ）が用いられる。図３は、検出した操作力の大きさＦを積分値（＝∫Ｆ△ｔ）に変換した例を示すグラフであり、制御部１３０は、このように変換した値に所定のゲインを乗じた値と、操作の行われた方向とを併せて、移動体の移動量を制御する制御信号として出力する。なお、積分値に乗ずるゲインの値は、移動体の速度に応じて変化させる。このように構成された操舵装置１００においては、棒状部材を前方方向に傾斜させた場合は移動体の加速、後方方向に傾斜させた場合は減速、左右方向に傾斜させた場合はステアリング（左右方向への移動）を指示する信号を出力することができる。

また、図３に示すように、この操舵装置１００においては、停止時から一定の速度に達するまでは、操作力の変化（すなわち操作力の積分値の変化）による移動体の移動量を変化させないように、不感帯が設定されている。この不感帯の幅は、操舵対象となる移動体の速度に応じて変化する。すなわち制御部１３０は、操舵対象となる移動体の移動速度が入力されると、その速度に応じて予め定められた値もしくは予め定められた規則にしたがって不感帯とする時間の幅を決定し、移動開始から決定された時間が経過するまでは移動体を移動させる量を入力された操作力の大きさに関わらず略一定の値とする。この略一定の値は、移動体を移動させる上での最低加速度とすることが好ましい。なお、操作力が検出できない場合は、移動体を移動させない（加速度を与えない）ように移動体の移動を制御する。また、操作力が一定以上の値となった飽和帯については、さらに操作力が加えられたものとしてセンサの出力を徐々に大きくする。

このように、操舵装置１００を用いて移動体を移動させる場合に、複数の操作力が入力された場合の移動量を制御したときに得られる、操作力と付与される加速度、および移動速度との関係を示すグラフを図４に、その移動制御を行うためのフローを図５に示す。

図４は、操作力１〜３に対応した移動量（付与する加速度）の大きさと、その付与した加速度により移動する移動体の速度の変化を示している。図4に示すように、移動体が移動を開始（ｔ＝ｔ_０）してから一定の速度ｖ_０に到達する時刻（ｔ＝ｔ_α）までは、一定の加速度（最低加速度）が付与される。また、操作力３のように、時刻ｔ_αまで至らない時刻(ｔ＝ｔ_β)に操作力が一定の値を満たさなくなる（操作がされていないとみなされる）と、付与する加速度もゼロとなり、その場合、移動体の移動速度は自然に減速し、最終的に停止する。また、時刻ｔ_α以降は、操作力に応じた加速度、すなわち操作力の積分値に比例した大きさの加速度が付与され、移動体の移動量が決定される。

図５は、図４に示す制御の流れをフローチャートに示したものである。まず、ＳＴＥＰ１０１において、センサによる操作力の検出が得られたか否かを微小な時間間隔で判断する。操作力が得られていない場合は加速度を付与せず、ＳＴＥＰ１０１に戻って操作力が得られるまで待機する。

操作力が得られていると判断された場合は、その時点を時刻ｔ＝ｔ_０とした後、時刻ｔ_０における移動体の速度を取得して所定の基準速度（ｖ_０）と比較する（ＳＴＥＰ１０２）。移動速度がｖ_０を上回る場合は、付与された操作力の積分値に所定のゲインを乗じて移動体の移動量を算出し、移動する移動方向と併せて制御信号として出力する（ＳＴＥＰ１０３）。一方、移動速度がｖ_０を下回る場合は時刻ｔ_αを閾値と定め（ＳＴＥＰ２０３）、時刻ｔ_０からｔ_αを過ぎるまでは検出した操作力の大きさの影響を受けずに移動量の制御を行うように、所定の加速度（最低加速度）を付与する制御を行う（ＳＴＥＰ２０４）。そして、時刻ｔ_α以降は、ＳＴＥＰ１０３に進んで付与された操作力の積分値に所定のゲインを乗じて移動体の移動量を算出し、移動する移動方向と併せて制御信号として出力する。このような制御により移動体の移動量を決定した後、移動体の移動を停止する必要があるか否かを判断し（ＳＴＥＰ１０４）、停止する必要がなければＳＴＥＰ１０１に戻って引き続き移動量の制御を継続する。移動体を停止する必要がある場合は、所定の停止信号の入力等の停止処置を行ったのち、移動体を停止させる（ＳＴＥＰ１０５）。

なお、前述のＳＴＥＰ１０３において、検出した操作力の積分値に乗じるゲインについても、移動体の移動速度に関する不感帯を設定してもよい。この場合においても、移動体の移動速度に応じてゲインの大きさ、および不感帯の幅を変化させると好適である。図６は、検出した力と、該力に対応したゲインとの関係の一例を示すグラフであり、図６（Ａ）は移動体の速度が１ｋｍ／ｈの場合の関係、図６（Ｂ）は移動体の速度が２ｋｍ／ｈの場合の関係を表している。このように、移動体の速度が高い場合には不感帯の幅を大きくとり、不感帯以外では操作力に比例したゲインの値をやや大きくなるように設定すると好適である。なお、このような操作力とゲインとの関係はあくまで一例であり、本発明はこれに限られるものではない。例えば、操作力とゲインとの関係は線形的な比例関係ではなく、非線形な関係であってもよい。

また、本発明は、移動体を加速させる場合だけではなく、減速させる場合においても用いることができる。すなわち、それまで移動していた移動方向と反対側に操作部が操作されると、制御部は移動体に対して移動方向と反対の方向へ加速度（すなわち減速度）を付与する。付与する減速度についても、前述の加速度を付与する際と同様に、操作力の積分値に比例した大きさの減速度が付与されるが、この場合においても、操作時の移動体の移動速度に応じて予め定められた値もしくは予め定められた規則にしたがって不感帯とする時間の幅を決定し、移動開始から決定された時間が経過するまでは移動体を移動させる量を入力された操作力の大きさに関わらず略一定の値とすることが好ましい。

次に、前記操舵装置１００による移動体の制御として、所定の大きさ以上の物理量が所定の時間以上制御部に入力された場合に、移動体の速度を一定に保つように移動量を制御する例について、図７を用いて説明する。

図７は、操舵装置１００の操作部１１０を一方向について所定の時間だけ操作し、その後に操作力の付与を停止した際に、当初停止した状態の移動体に付与される加速度の例を示すグラフである。図７に示すように、停止状態において操作力が得られると、前述のように、移動体の速度が基準速度（ｖ_０）を下回るため、閾値である時刻ｔ_αが設定され、この時刻に到達するまでは所定の加速度を付与する。時刻ｔ_α以降は、操作力に応じた加速度（例えば操作力の積分値に比例した加速度）が付与されるが、時刻ｔ＝ｔ_１において、操作力が一定の大きさ（F₁）を超えて、一定時間（Δｔ）その状態が維持されたと判断されると、制御部は移動体に付与する速度が一定となるように、略一定の加速度を付与するように制御する。このような速度を一定に保つ制御は、付与する加速度を一定にしてもよいし、移動体の速度を監視し、移動する方向についての加速度を、移動体が摩擦等の影響によって減速する分を補填するだけ付与する等の制御を行ってもよい。

また、移動体の移動速度を一定に保つように加速度を付与する制御は、図７に示すように、操作部が移動体の移動する方向と逆の方向に向けてある程度の力で操作されるまで継続される。操作部が移動体の移動する方向と逆の方向に向けてある程度の力（ΔＦ）で操作されると、制御部は移動体へ付与する加速度を徐々に低減させる。

このような加速度を付与する制御を行うと、操作部を操作して移動を行う場合に、操作者が長時間操作部に力を加え続ける必要がなくなるため、操作者への操作負荷を低減させることが可能となる。

次に、前記操舵装置１００による移動体の制御として、移動体が移動する速度に応じて前記ゲインの大きさを変化可能とする例について説明する。この例では、移動体の速度が高いほど、ゲインを大きく変化させ、高速移動時の回転角度（ステア）の応答性が高くした例を挙げて説明するものとする。

図８は、操作力とその操作力に対応する回転角度（移動量）の関係を示すグラフである。これらのグラフは、移動体の移動速度（１km／ｈ，２ｋｍ／ｈ，...６ｋｍ／ｈ）に各々対応したものであり、同じ操作力であっても、移動体の移動速度が高いほど大きな回転角度を付与するとともに、大きな操作力が加えられるほど、大きな回転角度を付与するように設定されている。このようにすると、高速時における障害物等を回避するための操作がしやすくなるという効果が得られる。

次に、操舵装置１００を用いて、移動体を停止させる場合の制御について説明する。通常の停止については、移動体の移動方向と逆の方向に操作部を操作し、停止するように移動体を減速させればよいが、緊急に停止をさせたい場合、そのような減速では間に合わない場合がある。そこで、操作部１１０の棒状部材の長さ方向について一定以上の力が加えられた際に、前記制御部が移動体を停止させるように制御を行うとよい。詳細には、図９に示すように、所定以上の大きな操作力（Ｆ）が操作部１１０の棒状部材についての長さ方向に向けて付与された場合、弾性体１２２に歪みが生じ、検出器１２１ａにおいて、予め設定された閾値よりも大きな操作力が検出される。検出器が閾値よりも大きな操作力を検知すると、制御部１３０は移動体の移動を直ちに停止するよう、移動体を減速させるための指令を発する。このときの減速手法としては、所定の大きさの減速度を付与するように移動体の移動制御を行ってもよいし、前述の大きな操作力が検出された際の移動体の移動速度に基づいて、移動体を減速させる度合いを決定し、移動体を安全に停止させるようにしてもよい。このようにすると、ジョイスティック型の操舵装置の場合、緊急停止（急ブレーキ）を行いたい場合に、別途緊急停止用の操作手段を設けることなく、緊急停止を行うことが可能となる。

なお、このような緊急停止を行う場合において、大きな操作力が検出された後、移動体の前後方向についての制御は、それ以後の操作力に対して影響を受けないようにすることが好ましいが、左右方向（ステア）についての制御は有効に維持すると、より好適である。このようにすると、緊急に停止を行う場合であっても、ハンドル操作が可能となるため、停止時であっても移動体の操作性が維持される。

また、前述のような操舵装置１００においては、特に生体センサを設けていないが、生体センサにより検出した信号と、操作部の操作力との組み合わせにより移動体の移動制御を行うようにしてもよい。このような生体センサの例としては、操作部表面に設ける発汗センサや筋電センサや、操作者の血圧や心拍数等を測定するセンサなど、またはこれらのセンサの組み合わせを用いることができる。このような生体センサにおいて、既定の値以上の検出値が検出された場合、制御部は操作部の操作力よりもセンサからの信号を優先して採用し、移動体の緊急停止を行う。このように、生体センサにより取得した信号に基づいて移動体を停止させるか否かを判断することで、操作者の操作遅れ等に影響する停止タイミングの遅れを低減することができる。

発明の実施形態２．
次に、前述のような操舵装置１００を組み込んだ搭乗型移動体１０について説明する。

図１０は、操作者としての搭乗者Ｐを載置した状態で、搭乗者Ｐの操作により移動制御可能な倒立振子型の搭乗型移動体（以下、単に移動体という）１０をその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。また、図１１は図１０に示す移動体１０を制御するための制御ボックス２０の内部構造を概略的に示す図である。図１０、１２に示すように、移動体１０は、一対の対向する２つの車輪を備えるとともに、移動する床部上にこれらの車輪が接した状態で、倒立状態を維持し続けるように車輪の回転駆動が制御される。なお、前述の実施形態において説明したものと同一または同様の構成を有する対象については、同じ符号を付してその説明を省略するものとする。以下、詳細に説明する。

図１０および図１１に示すように、移動体１０は、搭乗者を載置する載置台２２を備える移動体本体１２と、移動体本体１２に対して一体的に固定された支持部材１２ａに対して各々独立して回転駆動可能な、1対の対向する第１駆動輪３４および第２駆動輪４４と、を備えている。

移動体本体１２は、所定形状のフレームからなる載置台２２と、車軸Ｃ１，Ｃ２を介して回転駆動される前述の駆動輪３４，４４と、移動体を制御するための制御ボックス２０（図１０において図示せず）と、載置台２２に搭乗した搭乗者によって操作可能な位置に設けられた操舵装置１００’とを備える他、載置台２２の傾斜度合いを取得するためのジャイロ３８を有している。

制御ボックス２０の内部には、図１１に示すように、車軸Ｃ１、Ｃ２を中心として前記駆動輪を駆動するためのモータ３２，４２と、モータの回転駆動動作を制御するための移動体制御部１４と、該モータに電力を供給し、駆動するためのバッテリー４０と、が設けられている。

載置台２２は、搭乗者Ｐが着座するための平面板状の座席、搭乗者の背面を支持するための背当て部のほか、脚支持部や足載置部を備えている。また、背当て部においては搭乗者Ｐの側方において前後方向に伸びる肘掛が設けられ、この肘掛上方に操舵装置１００’が設置されている。

操舵装置１００’は、前述の載置台２２に搭乗した搭乗者Ｐの側方に設置されており、前述の実施形態と同様に、棒状部材を有する操作部１１０と、操作部の操作力および操作方向を検出するための検出器を備え、操作部を弾性体を介して固定するベース部１２０と、を備えている。検出器からの信号は、後述する移動体制御部１４に入力され、移動体制御部１４において、移動体１０を移動させる方向および移動量が認識される。すなわち、この例においては、前述の実施例と異なり、操舵装置の制御部は、移動体本体の内部に組み込まれた移動体制御部１４において代用される。なお、操舵装置１００’の内部構造の詳細については、前述に説明した実施形態とほぼ同様であるため、その説明については省略するものとする。

移動体制御部１４は、内部に演算処理部やメモリ等の記憶領域を備えるコンピュータであり、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。これによって、搭乗者による操舵装置１００’（操作部１１０）を操作した動作に追従して、モータ３２、４２の回転駆動動作を制御し、移動体１０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、移動体制御部１４から送信された電気信号に基づいて、モータ３２、４２は第１駆動輪３４、第２駆動輪４４を回転駆動し、かつ、現在の回転駆動量をリアルタイムに移動体制御部１４にフィードバックする。移動体制御部１４は、フィードバックを受けた信号に基づいてモータ３２、４２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１２の倒立状態を維持して移動体を移動または停止させる、いわゆる倒立制御を行うことができる。また、モータ３２、４２の駆動量を異ならせることで、移動体１０を旋回動作させることもできる。

なお、モータ３２、４２には、図示を省略するが電力供給により過熱状態となることを検出するための温度センサが設けられている。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３８は、自身の位置が鉛直方向から所定時間の間に傾斜する量、すなわち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。そして、移動体１０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１０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、制御部に送信される。

なお、図示は省略するが、このような移動体１０においては、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各種センサ（光学センサ）を備えていてもよい。このようなセンサとしては、例えば、赤外線レーザを照射し、その反射光を検出することで移動する前面下方の床面形状を検出するようなセンサが好ましい。このようなセンサを用いることによって、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１０の現在位置から凸部までの距離などが求められる。

次に、移動体制御部１４が移動体１０の倒立状態を維持するための制御を行うための制御を説明する。移動体１０の駆動輪が床面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Ｓと、移動体１０の重心位置と車軸Ｃとを結ぶ直線とがなす角度を傾斜角度ηとすると、駆動移動体制御部１４は、この傾斜角度ηが目標傾斜角（例えばη＝０度）となるように、第１駆動輪３４、第２駆動輪４４の回転駆動を制御する。このように構成された移動体は、移動体の傾斜している方向に対して、第１駆動輪３４、第２駆動輪４４を進め、移動体の重心位置を車軸Ｃの鉛直上方に戻すように制御される。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。

これによって、搭乗者が移動体の傾斜状態を変化させるように操舵装置１００’を操作することで、移動体本体１２は所定の倒立状態を維持し続け、その結果、前進および後退する移動動作を行うことができる。なお、この傾斜角度ηは、前述したように移動体１０に設けられたジャイロ３８によって求められる。

このように構成された移動体は、搭乗者の操作部を操作する操作力の大きさに応じて、その倒立状態を維持しつつ、移動量および移動する方向が決定される。この場合においても、移動体の停止時から一定の速度に達するまでは、操作力の変化（すなわち操作力の積分値の変化）による移動体の移動量を変化させないように、不感帯が設定される。この不感帯の幅は、操舵対象となる移動体の速度に応じて変化し、移動体制御部１４は、移動体の移動速度に応じて予め定められた値もしくは予め定められた規則にしたがって不感帯とする時間の幅を決定し、移動開始から決定された時間が経過するまでは移動体を移動させる量を入力された操作力の大きさに関わらず略一定の値とする制御を行う。このようにすることで、操作者の直感的な操作により移動を制御しつつ、移動の制御のために十分な応答性と操作性を確保することができる。

また、前述のような操舵装置を組み込んだ倒立振子型の移動体においては、その傾斜度合いや搭乗者の載置台上における位置などに応じて、前述した不感帯の幅やゲインの大きさを変更するようにしてもよい。すなわち、倒立振子型の移動体においては、ジャイロ等により求めた傾斜角度に基づいて倒立制御を行っているため、外部から加えられる外力（外乱）を補償する必要がある。そのため、載置台上に感圧センサや加速度センサ等を設け、移動体本体に加えられた外力を測定し、これらの外力を考慮した倒立制御および移動制御を行うと、より好適である。具体的には、移動制御における不感帯の幅や飽和量、ゲインの設定次数などを調整するなどの手法が考えられる。このような制御は、前述の外力が加えられた場合のほか、例えば移動体に搭乗者が乗り込む際や、搭乗者が座る位置を変更した場合などにおいて、有効となる。

なお、この実施形態においては、操舵装置の組み込まれる移動体の例として、倒立振子型の移動体を用いて説明したが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、４つの車輪駆動により移動する安定型の移動体の他、脚式移動により移動を行う移動体であっても、本発明を適用させることは可能である。

また、本発明においては、操舵装置を移動体に組み込む形で用いる必要はなく、操舵装置と移動体が独立して構成されるものであってもよい。例えば、移動体（例えば搭乗型の移動体）の移動を無線で操舵するような操舵システムにおいても、前述のような操舵装置を用いることで、移動体の移動制御を行う際に、操作者の直感的な操作に基づく移動操作を行うとともに、十分な応答性と操作性を確保することが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る操舵装置を概念的に表す図である。 図１に示す操舵装置を構成する操作部を鉛直上方から見た様子を示す概略図である。 図１に示す操舵装置において、検出した操作力の大きさＦを積分値に変換した例を示すグラフである。 図１に示す操舵装置を用いた際に得られる、操作力と付与される加速度、および移動速度との関係を示すグラフを示す図である。 図１に示す操舵装置を用いて移動体の移動制御を行うためのフローチャートである。 図１に示す操舵装置において、検出した力と、該力に対応したゲインとの関係の一例を示すグラフである。 図１に示す操舵装置の操作部を一方向について所定の時間だけ操作し、その後に操作力の付与を停止した際に、移動体に付与される加速度の例を示すグラフである。 図１に示す操舵装置において、操作力とその操作力に対応する回転角度（移動量）の関係を示すグラフである。 図１に示す操舵装置において、操作力（Ｆ）が操作部１１０の棒状部材についての長さ方向に向けて付与された様子を示す概略図である。 搭乗者の操作により移動制御可能な倒立振子型の移動体をその側方から見た様子を示す概念図である。 図１０に示す移動体１０の内部構造を概略的に示す図である。

符号の説明

１０・・・移動体
１２・・・移動体本体
１４・・・制御部（移動体制御部）
３４，４４・・・駆動輪
１００・・・操舵装置
１１０・・・操作部
１２０・・・ベース部
１２１・・・ベース部本体
１２１ａ・・・検出器
１２２・・・弾性体
１２２ａ・・・測定手段
１３０・・・制御部
Ｐ・・・搭乗者（操作者）

Claims (23)

1. 移動手段を有する移動体を操舵するための操舵装置であって、
   操作部と、
   前記操作部に加えられた力の大きさとその方向とに基づく物理量を検出する検出部と、
   前記検出部により検出した物理量に基づいて前記移動手段を駆動し、前記移動体の移動量および移動方向を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部が、前記検出部により検出された物理量が所定の閾値を超えるまでは前記物理量の大きさの影響を受けずに前記移動量の制御を行う不感帯を有しているとともに、前記移動体の移動する速度に応じて前記閾値の値を決定することを特徴とする操舵装置。
2. 停止時から一定の速度に達するまでは、前記閾値以上の物理量が前記制御部に入力された場合に、前記物理量の大きさの影響を受けずに前記移動量の制御を行うように制御することを特徴とする請求項１に記載の操舵装置。
3. 所定以上の速度で移動する際において、所定の大きさ以上の物理量が所定の時間以上前記制御部に入力された場合に、前記移動体の速度を一定に保つように前記移動量を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の操舵装置。
4. 前記物理量が、前記操作部に加えられた力の積分値を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の操舵装置。
5. 前記制御部が、入力された物理量に特定のゲインを乗じた値に基づいて前記移動量および前記移動方向を制御するとともに、前記移動体が移動する速度に応じて前記ゲインの大きさを変化可能であ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操舵装置。
6. 前記制御部が、入力された物理量が一定の大きさ以上である場合に、移動する速度が高いほど、前記ゲインを大きく変化させることを特徴とする請求項５に記載の操舵装置。
7. 前記操作部が、弾性体を介して検出部に固定された、把持可能な棒状部材を備えており、前記検出部が、該棒状部材を操作することで前記弾性体に加えられた力の大きさおよび方向に基づく前記物理量を検出することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の操舵装置。
8. 前記操作部の長さ方向について一定以上の力が加えられた際に、前記制御部が前記移動体を停止させることを特徴とする請求項７に記載の操舵装置。
9. 前記操作部の表面に生体センサが設けられており、前記制御部が、前記生体センサにより取得した信号に基づいて前記移動体を停止させるか否かを判断することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の操舵装置。
10. 搭乗者が操舵装置を操作することで操舵可能な搭乗型移動体であって、
    移動手段と、
    前記搭乗者により操作される操作部と、
    前記操作部に加えられた力の大きさとその方向とに基づいた物理量を検出する検出部と、
    前記検出部により検出した物理量に基づいて前記移動手段を駆動し、前記移動体の移動量および移動方向を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部が、前記検出部により検出された物理量が所定の閾値を超えるまでは前記物理量の大きさの影響を受けずに前記移動量の制御を行う不感帯を有しているとともに、前記移動体の移動する速度に応じて前記閾値の値を決定することを特徴とする搭乗型移動体。
11. 前記物理量が、前記操作部に加えられた力の積分値を含むことを特徴とする請求項１０に記載の搭乗型移動体。
12. 停止時から一定の速度に達するまでは、前記閾値以上の物理量が前記制御部に入力された場合に、前記物理量の大きさの影響を受けずに前記移動量の制御を行うように制御することを特徴とする請求項１０または１１に記載の搭乗型移動体。
13. 所定以上の速度で移動する際において、所定の大きさ以上の物理量が所定の時間以上前記制御部に入力された場合に、前記移動体の速度を一定に保つように前記移動量を制御することを特徴とする請求項１０から１２のいずれかに記載の搭乗型移動体。
14. 前記制御部が、入力された物理量に特定のゲインを乗じた値に基づいて前記移動量および前記移動方向を制御するとともに、前記移動体が移動する速度に応じて前記ゲインの大きさを変化可能であることを特徴とする請求項１０から１３のいずれかに記載の搭乗型移動体。
15. 前記制御部が、移動する速度が高いほど、前記ゲインを大きく変化させることを特徴とする請求項１４に記載の搭乗型移動体。
16. 前記操作部が、弾性体を介して検出部に固定された、把持可能な棒状部材を備えており、前記検出部が、該棒状部材を操作することで前記弾性体に加えられた力の大きさおよび方向に基づく前記物理量を検出することを特徴とする請求項１０から１５のいずれかに記載の搭乗型移動体。
17. 前記操作部の長さ方向について一定以上の力が加えられた際に、前記制御部が前記移動体を停止させることを特徴とする請求項１６に記載の搭乗型移動体。
18. 前記操作部の表面に生体センサが設けられており、前記制御部が、前記生体センサにより取得した信号に基づいて前記移動体を停止させるか否かを判断することを特徴とする請求項１０から１７のいずれかに記載の搭乗型移動体。
19. 前記移動手段が、与えられたトルクにより駆動する車輪型の移動手段であることを特徴とする請求項１０から１８のいずれかに記載の搭乗型移動体。
20. 移動手段を有する移動体を操舵するための操舵方法であって、
    操作部に加えられた力の大きさとその方向とに基づく物理量を検出する物理量検出ステップと、
    検出した物理量が所定の閾値を超えるか否かを比較する比較ステップと、
    検出した物理量が前記閾値を超えない場合に、該物理量の大きさに影響を受けず、前記移動手段を駆動し、前記移動体の移動量および移動方向を制御する第１の制御ステップと、
    検出した物理量が前記閾値を超える場合に、該物理量に基づいて前記移動手段を駆動し、前記移動体の移動量および移動方向を制御する第２の制御ステップと、を備えるとともに、
    前記移動体の移動する速度を取得する速度取得ステップと、取得した速度に応じて前記閾値の大きさを決定する閾値決定ステップと、をさらに備えることを特徴とする操舵方法。
21. 前記制御ステップが、検出した物理量に特定のゲインを乗じた値に基づいて前記移動量および前記移動方向を制御するものであり、前記移動体が移動する速度に応じて前記ゲインの大きさを変化させるゲイン変化ステップをさらに備えることを特徴とする請求項２０に記載の操舵方法。
22. 前記制御ステップが、移動する速度が高いほど、前記ゲインを大きく変化させることを特徴とする請求項２１に記載の操舵方法。
23. 前記移動体が所定以上の速度で移動しているか否かを判断する判断ステップをさらに備え、前記移動体が所定以上の速度で移動していると判断された際において、所定の大きさ以上の物理量が所定の時間以上前記制御部に入力された場合に、前記移動体の速度を一定に保つように移動量を制御する第３の制御ステップをさらに備えることを特徴とする請求項２０から２２のいずれかに記載の操舵方法。

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