JP2009101899A - 倒立車輪型移動体、及びその制御方法 - Google Patents

倒立車輪型移動体、及びその制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】安全に倒立動作を行うことができる倒立車輪型移動体、及びその制御方法を提供する。
【解決手段】本発明の一態様にかかる倒立車輪型移動体は、右駆動輪18、左駆動輪20を回転駆動するモータ34、36と、スイングアーム17、19を介してマウント26、28に対して回動可能に支持された搭乗席74と、搭乗席74を駆動する搭乗席駆動モータ70と、を備えている。制御部80は、接地状態から離地状態へと移行するために、前記第3の駆動部を駆動させて、スイングアーム関節67の駆動量がしきい値を超えたか否かを判定し、駆動量がしきい値を越えた後に、モータ34、36、及び搭乗席駆動モータ70の制御を開始して、倒立車輪型移動体を倒立させている。
【選択図】 図2

Description

本発明は倒立車輪型移動体、及びその制御方法に関する。
倒立二輪車両などの倒立車輪型移動体は、通常、左右の駆動輪を駆動して安定状態を維持するように重心位置を修正しつつ、移動を行なうように制御している。さらに、倒立状態を安定させるため、車輪上方に設けられた慣性体を駆動する構成が開示されている(特許文献1)。この倒立車輪型移動体では、走行中に、慣性体をスライド移動させている。これにより、重心位置が車軸の鉛直線上に速やかに移動するため、倒立を安定させることができる。さらに、倒立車輪型移動体には、転倒を防止するための補助輪を設けることがある。
特開2006−205839号公報
このような、倒立車輪型移動体に、車高を変化させるためのスイングアームを有するものが開発されている。スイングアームを有する移動体では、スイングアームに設けられた関節を駆動することで車高を変化させている。そして、移動を開始する際には、スイングアームの関節を駆動している。これにより、補助輪を接地した接地状態から補助輪が離地した離地状態へと移行する。
しかしながら、従来の倒立車輪型移動体には、以下に示す問題点がある。補助輪が接地している状態では、傾斜角度が変化しない。このような状態で倒立するためのフィードバック制御を行ってしまうと、移動体の動作を安定させることができない。すなわち、車輪を駆動しても傾斜角度が変化しないため、目標傾斜角度と現在傾斜角度の偏差が一定値となる。このため、補助輪が接地している状態で、車輪を駆動させると、車輪の駆動トルクを安定せずに、暴走してしまうおそれがある。このように、従来の補助輪付きの倒立車輪型移動体では、補助輪を離地させる立ち上がり動作のときに、安定させることができないという問題点がある。なお、上記の問題点は、補助輪付きの倒立車輪型移動体に限らず、転倒を防止するために接地するストッパなどが設けられている倒立車輪型移動体についても同様に起き得る。
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、安全に倒立動作を行うことができる倒立車輪型移動体、及びその制御方法を提供することを目的とする。
本発明の第1の態様にかかる倒立車輪型移動体は、車輪を回転可能に支持する車台と、前記車輪を回転駆動する第1の駆動部と、支持部材を介して前記車台に対して回動可能に支持された車体部と、前記車体部を駆動する第2の駆動部と、前記車輪と離間して設けられた接地可能な接地部材と、前記接地部材の高さを変化させて、前記接地部材が接地した接地状態と離地した離地状態とを切換える第3の駆動部と、前記第1の駆動部、前記第2の駆動部、及び第3の駆動部を制御する制御部と、を備える倒立車輪型移動体であって、前記制御部が、前記接地状態から前記離地状態へと移行するために、前記第3の駆動部を駆動させている時に、前記第3の駆動部の駆動量がしきい値を超えたか否かを判定し、前記駆動量がしきい値を越えた後に、前記第1及び第2の駆動部の制御を開始して、前記倒立車輪型移動体を倒立させるものである。これにより、補助輪が地面から離れてから、倒立制御を開始することができるため、安全性を向上することができる。
本発明の第2の態様にかかる倒立車輪型移動体は、上記の倒立車輪型移動体であって、前記制御部が、前記倒立車輪型移動体の姿勢の傾斜角度と、前記倒立車輪型移動体の姿勢の傾斜角速度と、前記車輪の回転速度と、前記第2の駆動部の駆動速度とに基づいて、前記第1及び第2の駆動部をフィードバック制御するものである。これにより、簡便かつ確実に倒立させることができる。
本発明の第3の態様にかかる倒立車輪型移動体は、上記の倒立車輪型移動体であって、前記接地部材が前記車輪の前後に設けられた補助輪を有しているものである。これにより、補助輪が接地した状態での暴走を防ぐことができる。
本発明の第4の態様にかかる倒立車輪型移動体の制御方法は、車輪を回転可能に支持する車台と、前記車輪を回転駆動する第1の駆動部と、支持部材を介して前記車台に対して回動可能に支持された車体部と、前記車体部を駆動する第2の駆動部と、前記車輪と離間して設けられた接地可能な接地部材と、前記接地部材の高さを変化させて、前記接地部材が接地した接地状態と離地した離地状態とを切換える第3の駆動部と、前記第1の駆動部、前記第2の駆動部、及び第3の駆動部を制御する制御部と、を備える倒立車輪型移動体の制御方法であって、前記接地状態から前記離地状態へと移行するために、前記第3の駆動部を駆動するステップと、前記第3の駆動部の駆動量がしきい値を超えたか否かを判定するステップと、前記駆動量がしきい値を越えた後に、前記第1及び第2の駆動部の制御を開始して、前記倒立車輪型移動体を倒立させるステップと、を備えるものである。これにより、補助輪が地面から離れてから、倒立制御を開始することができるため、安全性を向上することができる。
本発明の第5の態様にかかる倒立車輪型移動体の制御方法は、上記の制御方法であって、前記倒立させるステップでは、前記倒立車輪型移動体の姿勢の傾斜角度と、前記倒立車輪型移動体の姿勢の傾斜角速度と、前記車輪の回転速度と、前記第2の駆動部の駆動速度とに基づいて、前記第1及び第2の駆動部をフィードバック制御するものである。これにより、簡便かつ確実に倒立させることができる。
本発明の第6の態様にかかる倒立車輪型移動体の制御方法は、上記の制御方法であって、前記接地部材が前記車輪の前後に設けられた補助輪を有しているものである。これにより、補助輪が接地した状態での暴走を防ぐことができる。
本発明は、安全に倒立動作を行うことができる倒立車輪型移動体、及びその制御方法を提供することを目的とする。
本実施の形態にかかる移動体は倒立振子制御によって移動する倒立車輪型移動体である。移動体は、地面に接地した車輪を駆動することによって、所定の位置まで移動する。さらに、ジャイロセンサ等からの出力に応じて車輪を駆動することによって、倒立状態を維持することができる。また、移動体は、倒立状態を維持したまま、操作者が操作する操作量に応じて移動する。
図1及び図2を用いて、本実施の形態にかかる移動体100の構成について説明する。図1は移動体100の構成を模式的に示す側面図であり、図2は移動体100の構成を模式的に示す正面図である。
図2に示されるように、移動体100は、倒立車輪型の移動体(走行体)であり、右駆動輪18と、左駆動輪20と、右スイングアーム17と、左スイングアーム19と、車体12と、を備えている。車体12は、右駆動輪18、及び左駆動輪20の上方に配置された移動体100の上体部の一部である。ここで、移動体100の進行方向(図2の紙面と垂直方向)を前後方向とし、水平面において前後方向に垂直な方向を左右方向(横方向)とする。よって、図2は、進行方向前側から移動体100を見た図であり、図1は、左側から移動体100を見た図である。
走行時において、右スイングアーム17、及び左スイングアーム19は、車高を調整する。さらに、一方、又は両方のスイングアームを駆動して、車体12の地面に対する左右の傾斜角度を調整する。例えば、水平な地面を走行中に、右駆動輪18のみが段差に乗り上げたり、地面が右上がりの傾斜面に変わったりしたとする。この場合、右駆動輪18が左駆動輪20よりも高くなる。このため、右スイングアーム17の関節を駆動して右駆動輪18を車体12の方向により近づけるようにする。これにより、右駆動輪18が高くなった分を吸収でき、横方向(左右方向)において車体12を水平にすることができる。
右スイングアーム17側端側には右マウント26が固定され、車軸30を介して右駆動輪18を回転可能に支持する。右駆動輪18は、車軸30を介して右輪駆動モータ34の回転軸C1に固定されている。右輪駆動モータ34は、右マウント26内に固定され、車輪用駆動部(アクチュエータ)として機能する。
左スイングアーム19の側端側には左マウント28が固定され、車軸32を介して左駆動輪20を回転可能に支持する。左駆動輪20は、車軸32を介して左輪駆動モータ36の回転軸C2に固定されている。左輪駆動モータ36は、左マウント28内に固定され、車輪用駆動部(アクチュエータ)として機能する。右駆動輪18と左駆動輪20は、地面と接地し、略同軸上で回転する一対の車輪である。右駆動輪18と左駆動輪20が、回転することによって、移動体100が移動する。また、右輪駆動モータ34、及び左輪駆動モータ36が車輪を駆動させる駆動輪モータとなる。右マウント26、及び左マウント28が左右の駆動輪を回転可能に支持する車台となる。
右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36(以下、モータ34、36と称することもある。)は例えば、サーボモータである。尚、車輪用アクチュエータは、電気的なモータに限らず、空圧、油圧を使用したアクチュエータでもよい。なお、以下の説明において、右駆動輪18と左駆動輪20をまとめて、駆動輪と呼ぶこともある。
また、右マウント26は、右輪エンコーダ52を備えている。右輪エンコーダ52は、右駆動輪18の回転量としての回転角を検出する。左マウント28は、左輪エンコーダ54を備えている。左輪エンコーダ54は、左駆動輪20の回転量としての回転角を検出する。
右スイングアーム17は、右上リンク21と、右スイング軸62と、右スイングアーム駆動モータ60を有している。左スイングアーム19は、左上リンク22と、左スイング軸66と、左スイングアーム駆動モータ64を有している。車体12の下部には、右上リンク21及び左上リンク22が固定されている。右上リンク21には、右スイングアーム駆動モータ60が固定され、右スイング軸62を介して、回転軸C4回りに、右スイングアーム17を駆動する。左スイング軸66には、左スイングアーム駆動モータ64が固定され、左スイング軸66を介して、回転軸C5周りに左スイングアーム19を駆動する。このように、右スイングアーム17には、回転軸C4回りに回転する回転関節が設けられ、左スイングアーム19には、回転軸C5回りに回転する回転関節が設けられている。右スイングアーム17及び左スイングアーム19(以下、スイングアーム17、19と称することもある。)に設けられた関節をスイングアーム関節とする。
車体12には、搭乗席駆動モータ70、ラックアンドピニオン72、ジャイロセンサ48、及び搭乗席74が取り付けられている。また、車体12には、対向して、右上リンク21及び左上リンク22が取り付けられている。
車体12の中央近傍には、ラックアンドピニオン72が設けられている。ラックアンドピニオンのラックは、前後方向に沿って設けられている。ラックアンドピニオン72によって、搭乗席74が支持されている。即ち、搭乗席74は、ラックアンドピニオン72を介して車体12に取り付けられている。搭乗席74は、搭乗者が座ることができる椅子の形状を有する。
車体12の上部には、搭乗席駆動モータ70が固定されている。搭乗席74と搭乗席駆動モータ70は、ラックアンドピニオン72によって連結されている。搭乗席駆動モータ70は、回転軸C3回りに回転する。これにより、ラックアンドピニオン72のピニオンに回転力が加えられる。搭乗席駆動モータ70の回転運動は、ラックアンドピニオン72によって、直線運動に変換される。すなわち、搭乗席駆動モータ70を駆動すると、車体12に対する搭乗席74の位置が前後にスライドする。このとき、搭乗席74と搭乗者又は搭乗物との合成重心位置が、車体12に対して前後に変化する。なお、車体12に対して、搭乗席74と搭乗者又は搭乗物との合成重心位置を変化させる手段としては、スライド機構の他に、回転軸機構、旋回機構などで実現することも可能である。また、搭乗席駆動モータ70の動力をギアやベルトやプーリなどを介して、搭乗席74に伝達してもよい。ここで、搭乗席駆動モータ70によって前後に移動する構成全体を車体部77とする。車体部77には、搭乗席74や操作モジュール46等が含まれる。もちろん、車体12を駆動するアクチュエータを備える場合は、車体部77に車体12も含まれる。また、搭乗席駆動モータ70には、スライド位置を計測するためのエンコーダ(図示せず)が設けられている。
回転軸C3は回転軸C1及びC2と平行であり、回転軸C1及びC2の上方に位置する。回転軸C3と回転軸C1との間に右スイングアーム17が設けられ、回転軸C3と回転軸C2との間に左スイングアーム19が設けられている。右スイングアーム駆動モータ60は、右スイングアーム17を回転軸C4回りに回転させ、左スイングアーム駆動モータ64は、左スイングアーム19を回転軸C5回りに回転させる。通常の走行時には、回転軸C1〜回転軸C5は水平になっている。
さらに、移動体100には、転倒を防止するために、2つの補助輪51が設けられている。補助輪51は、補助輪支持ブロック55に対して回転可能に支持されている。そして、補助輪支持ブロック55は車体12に取り付けられている。ここでは、一方の補助輪51は、駆動輪の前方側に配置され、他方の補助輪51は駆動輪の後方側に配置されている。補助輪51は、従動輪であり、移動体100の移動にしたがって回転する。
通常の走行を開始するときには、スイングアーム関節を伸ばすことによって、補助輪51を離地させる。すなわち、車体12が上方に移動するように、スイングアーム関節を移動して、補助輪51を上方に移動させる。停止状態では、スイングアーム関節を縮めることによって、補助輪51を接地させる。すなわち、スイングアーム関節を屈曲させていくことで、車体12が地面に近づき、補助輪51が下方に移動する。このように、補助輪51を上下に移動させることで、補助輪51が接地した接地状態と、離地して二輪で走行する離地状態とを切換えることができる。このように、移動体100は、立ち上がり時にスイングアームを使って、4輪の接地状態から2輪状態の離地状態へと移行していく。
一方の補助輪51の回転軸は、回転軸C1、C2よりも前側上方にあり、他方の補助輪51の回転軸は、回転軸C1,C2よりも後側上方にある。すなわち、補助輪51の一方は、駆動輪の車軸よりも前方に配置され、他方は、駆動輪の車軸よりも後方に配置される。これにより、移動体100が前後に転倒するのを防止することができる。なお、補助輪以外の接地部材によって、転倒を防止してもよい。例えば、前後方向に突出したストッパなどで転倒を防止することができる。このように、駆動輪の前側、及び後側の少なくとも一方に、接地可能な転倒防止部材を設ければよい。
車体12には、バッテリーモジュール44と、センサ58が収納されている。センサ58は、例えば、光学式の障害物検知センサであり、移動体100の前方に障害物を検知すると、検知信号を出力する。また、センサ58は、障害物センサ以外のセンサであってもよい。例えば、センサ58として、加速度センサを用いることも可能である。もちろん、センサ58として、2以上のセンサが用いられていてもよい。センサ58は移動体100の状態に応じて変化する変化量を検出する。バッテリーモジュール44は、センサ58、ジャイロセンサ48、右輪駆動モータ34、左輪駆動モータ36、右スイングアーム駆動モータ60、左スイングアーム駆動モータ64、搭乗席駆動モータ70、及び制御部80等に対して電力を供給する。
車体12上には、ジャイロセンサ48が設けられている。ジャイロセンサ48は、車体12の傾斜角に対する角速度を検出する。ここで、車体12の傾斜角は、移動体100の重心位置が車軸30、32の鉛直上方に伸びる軸からの傾斜度合いであり、例えば移動体100の進行方向前方に車体12が傾斜している場合を「正」とし、移動体100の進行方向後方に車体12が傾斜している場合を「負」として表わす。したがって、車体12が水平になっている状態では、傾斜角度が0°になる。そして、通常の走行時には、傾斜角度の制御目標値が0°なっている。この制御目標値に追従するように、フィードバック制御されている。また、前後方向における傾斜角度を移動体100の姿勢の傾斜角度とする。
また、進行方向の前後方向に加えて、左右方向の傾斜角速度はロール、ピッチ、ヨーの3軸のジャイロセンサ48を用いて測定される。このように、ジャイロセンサ48は、車体12の傾斜角の変化を、車体12の傾斜角速度として測定する。もちろん、ジャイロセンサ48は他の箇所に取り付けられていてもよい。ジャイロセンサ48で測定された傾斜角速度は、移動体100の姿勢の変化に応じて変化する。即ち、傾斜角速度は、車軸の位置に対する車体12の重心位置に応じて変化する変化量である。従って、外乱などによって、姿勢の傾斜角度が急激に変化すると、傾斜角速度の値が大きくなる。
搭乗席74の側面には、操作モジュール46が設けられている。操作モジュール46には、操作レバー(図示せず)及びブレーキレバー(図示せず)が設けられている。操作レバーは、搭乗者が移動体100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移動体100の移動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移動体100の移動方向を指定することができる。移動体100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。搭乗者がブレーキレバーを倒すことによって、移動体100を制動することができる。移動体100の進行方向は、水平面内において、車軸30、32と垂直な方向になる。また、操作モジュール46には、制御モードを切換えるスイッチが設けられている。
さらに、搭乗席74の背もたれ部分には、制御部80が実装されている。制御部80は、搭乗者が操作モジュール46に対して行なった操作に追従して、右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36を制御し、移動体100の走行(移動)を制御する。制御部80は、操作モジュールでの操作に応じて、右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36を制御する。これにより、操作モジュール46での操作に応じた加速度、速度指令値で右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36が駆動する。
制御部80は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、通信用のインターフェースなどを有し、移動体100の各種動作を制御する。そして、この制御部80は、例えばROMに格納された制御プログラムに従って各種の制御を実行する。制御部80は、操作モジュール46での操作に応じて、所望の加速度、及び目標速度になるように、また、移動体100が倒立を維持するように、ロバスト制御、状態フィードバック制御、PID制御などの周知のフィードバック制御により、右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36を制御する。これにより、移動体100が、操作モジュール46での操作に応じて加減速しながら走行する。
すなわち、操作モジュール46は、搭乗者の操作によって与えられた操作量を取得し、この操作量を操作信号として、制御部80に出力する。そして、制御部80は、操作信号に基づいて、移動体100の目標加速度や、目標速度を算出し、これに追従するように、移動体100をフィードバック制御する。これにより、移動体100を倒立させつつ、移動させることができる。
また、制御部80は、右輪駆動モータ34、左輪駆動モータ36、右スイングアーム駆動モータ60、左スイングアーム駆動モータ64、及び搭乗席駆動モータ70を制御する。ここで、搭乗席駆動モータ70が右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36と協調して動作するよう、制御部80が制御を行う。すなわち、倒立を安定させるように、駆動輪を回転駆動するとともに搭乗席74をスライド移動させる。これにより、車体12の傾斜角度が小さくなり、倒立を安定させることができる。このようにして、搭乗席駆動モータ70が右スイングアーム駆動モータ60、左スイングアーム駆動モータ64、及び搭乗席駆動モータ70と協調して動作する。
次に、上記の制御を行う制御部80の構成について図3を用いて説明する。図3は、制御部80を含む制御系の構成を示すブロック図である。図3に示すように、制御部80は、スイングアーム制御部81と、駆動輪・スライド協調制御部82とを備えている。また、センサ類83は、移動体100に設けられている各種センサを示すものであり、例えば、ジャイロセンサ48、右輪エンコーダ52、左輪エンコーダ54、センサ58等を含んでいる。そして、制御部80は、倒立制御計算を行い、制御目標値を算出する。そして、制御目標値と現在値との偏差を求める。尚、現在値は、例えば、センサ類83からの出力に基づいて算出することができる。そして、この偏差に所定のフィードバックゲインを乗じて、フィードバック制御を行う。
また、移動体100には、各モータを駆動制御するアンプが設けられている。ここで、右輪駆動モータ34、左輪駆動モータ36、右スイングアーム駆動モータ60、左スイングアーム駆動モータ64、搭乗席駆動モータ70に設けられているアンプをそれぞれ、アンプ34a、アンプ36a、アンプ60a、アンプ64a、アンプ70aとする。各アンプは、制御部80からの制御信号に基づいて動作する。制御部80は、搭乗席駆動モータ70のアンプ70aにスライド速度やスライド位置やスライド力に応じた制御信号を出力する。また、モータ34、36のアンプ34a、36aに車輪トルクに応じた制御信号を出力する。
スイングアーム制御部81は、右スイングアーム駆動モータ60、及び左スイングアーム駆動モータ64を制御する。例えば、スイングアーム制御部81は制御信号を出力して、スイングアームが伸縮するようにスイングアーム関節67を駆動する。これにより、補助輪51が接地している接地状態と、離地している離地状態とを切換えることができる。また、傾斜面を走行するときは、ジャイロセンサ48などの出力に基づいて、制御信号を出力する。これにより、傾斜面の角度が吸収され、車体12が水平になる。スイングアーム制御部81からの制御信号は、アンプ60a、64aを介して、右スイングアーム駆動モータ60、左スイングアーム駆動モータ64に入力され、右スイングアーム駆動モータ60、左スイングアーム駆動モータ64が駆動する。なお、スイングアーム関節の回転角を検出するエンコーダを設けて、フィードバック制御してもよい。すなわち、スイングアーム関節67の関節角度や関節角速度に応じてフィードバック制御することができる。
駆動輪・スライド協調制御部82は、右輪駆動モータ34、左輪駆動モータ36、及び搭乗席駆動モータ70を協調して制御する。すなわち、駆動輪・スライド協調制御部82は、右輪駆動モータ34、左輪駆動モータ36、及び搭乗席駆動モータ70に対する制御目標値を算出する。例えば、姿勢の傾斜角度、姿勢の傾斜角速度、並びに駆動輪の回転速度、及び搭乗席74のスライド速度が制御目標値として算出される。車体12の傾斜角速度は、ジャイロセンサ48で測定される。そして、傾斜角速度を積分することによって、車体12の傾斜角度が求まる。例えば、倒立走行時には、姿勢の目標傾斜角度が0°になるようにフィードバック制御する。また、その場で停止させる場合は、目標傾斜角速度が0になるようにフィードバック制御する。
また、駆動輪78の回転速度は、右輪エンコーダ52、及び左輪エンコーダ54の出力によって、求めることができる。スライド機構68のスライド速度は、搭乗席駆動モータ70に設けられているエンコーダの出力により求めることができる。また、スライド機構68は、搭乗席駆動モータ70の回転トルクにより求めることができる。そして、これらの制御目標値と、現在値との偏差に適切なフィードバックゲインをかけることで、フィードバック制御が行われる。もちろん、駆動輪・スライド協調制御部82による、右輪駆動モータ34、左輪駆動モータ36、及び搭乗席駆動モータ70の協調制御は、上記の制御に限られるものではない。
また、制御部80は、接地状態から離地状態に移行する立ち上がり時において、補助輪51が完全に離地してから、協調制御を開始する。すなわち、スイングアームの関節角度がある角度に駆動するまで、協調制御による倒立を開始しない。したがって、スイングアームの関節角度がある角度まで駆動した後に、駆動輪とスライド機構の動作が開始する。このようにすることで、立ち上がり時における、安全性を向上することができる。すなわち、補助輪51が少しでも接地している段階では、倒立制御を行っても、姿勢の傾斜角度、及び傾斜角速度が変化しないおそれがある。傾斜角度や傾斜角速度が変化しない状態で、これらに基づいてフィードバック制御を行うと制御を安定させることができない。すなわち、駆動輪を駆動しても、傾斜角度や傾斜角速度が全く変化しないため、倒立制御が不安定になり、暴走してしまうことがある。しかしながら、本実施の形態に示すように、スイングアーム関節の角度を検出することで、補助輪の両方が確実に地面から離れていることを確認することができる。すなわち、補助輪51が完全に離地した後に協調動作を開始することで、安全に立ち上がることが可能になる。
このように、制御部80は、車体12の高さを変更する際において、スイングアーム関節が一定の駆動量以上、駆動したか否かを判定している。すなわち、スイングアーム関節の関節角度が一定以上になったか否かを判定している。そして、一定の駆動量以上になった後に、協調制御を開始する。すなわち、ある所定の角度以上、スイングアーム関節を駆動したら、協調制御の計算を開始する。したがって、スイングアーム関節が所定の角度になるまでは、協調制御の計算を行わない。これにより、補助輪51が地面に接触した状態で倒立制御が行われるのを防止することができ、より安定に倒立させることができる。
次に、移動体100の補助輪51が着地状態から離地状態に移行して、移動するときの制御について図4を用いて説明する。図4(a)〜図4(e)は、移動体100の動作を模式的に示す側面図である。図4では、右側が移動体100の前側になっている。なお、図4では、右駆動輪18及び左駆動輪20を駆動輪78として示している。また、図4では、車体部77をスライド移動させる機構をスライド機構68として示し、スイングアームに設けられた回転関節をスイングアーム関節67として示している。したがって、搭乗席駆動モータ70及びラックアンドピニオン72などを含むスライド機構68を駆動することで、車体12に対して車体部77が前後にスライドする。さらに、車体部77と車体12を合わせて上体部76としている。したがって、スイングアームによって支持されている構成全体が上体部76となる。また、図4では、車体12の重心位置をG1、車体部77の重心位置をG2、上体部76の重心位置(車体12と車体部77の合成重心位置)をG3として示している。
まず、接地状態(4輪接地)から離地状態(2輪接地)に移行するため、図4(a)に示すように、スイングアーム関節67を駆動する。すなわち、右スイングアーム駆動モータ60、及び左スイングアーム駆動モータ64を回転させて、各スイングアームを伸ばしていく。これにより、車体12が地面から離れて行き、補助輪支持ブロック55を介して車体12に取り付けられた補助輪51が上方に移動する。このとき、上体部76の重心位置(車体部77と車体12の合成重心位置)が車軸の鉛直線上から前方にずれて、移動体100が前傾姿勢になる。このため、初めに後方側の補助輪51が離地し、その次に前方側の補助輪51が離地していくことになる。
そして、スイングアーム関節67の角度(スイングアーム角)を検出して、スイングアーム関節67が動作しているか否かを判定する。例えば、右スイングアーム駆動モータ60、及び左スイングアーム駆動モータ64に設けられているエンコーダによって、アーム角を検出することができる。補助輪51が一定高さ以上になったら、図4(b)に示すように、協調制御を開始する。これにより、前傾姿勢を元に戻そうとして、駆動輪78が前方に回転する。また、スライド機構68が後方にスライド移動する。すなわち、スイングアーム関節67の関節角度をしきい値以上駆動したら、スライド機構68及び駆動輪78の駆動を開始する。ここでは、協調制御により制御目標値を算出して、この制御目標値に追従するように、フィードバック制御する。協調制御では、スライド機構68の動作と、駆動輪78の動作が作用・反作用の関係を持ち、位置ずれを小さくさせる条件を満足するように、駆動輪78の駆動トルクと、スライド力の制御量を算出する。すると、姿勢を元に戻そうとして、駆動輪78が前方に回転するとともに、スライド機構68がスライド移動する。ここでは、移動体100が前傾姿勢になっているため、車体部77が後方にスライドしていく。すなわち、上体部76の重心位置G3(車体12と車体部77の合成重心位置)が車軸の鉛直線上に近づくように、スライド機構68が制御される。スライド機構68が後方にスライドすると、車体部77の重心位置G2が後方に倒れていく。
さらに、後方へのスライドを継続すると、傾斜角速度の変化が大きくなる。すなわち、
重心位置G3が後方に倒れていく。そのまま、駆動輪78を前方に回転させながら、後方へのスライドを継続すると、後傾姿勢になってしまう。すなわち、重心位置G3が車軸の鉛直線上を超えて、傾斜角度が負になってしまう。そこで、傾斜角度が負になるのを防ぐため、スライド機構68を前方に駆動する。すなわち、図4(c)に示すように、車体部77を前方にスライド移動させる。これにより、車体部77の重心位置G2が前方に移動していく。これまでの間、協調制御によって、駆動輪78が前方に回転している。したがって、移動体100が前方に移動している。
スライド機構68を前方に駆動すると、今度は、重心位置G3が前方に倒れていく。そのまま、駆動輪78を前方に回転させながら、前方へのスライドを継続すると、前傾姿勢に戻ってしまう。すなわち、重心位置G3が車軸の鉛直線上を超えて、傾斜角度が正になってしまう。そこで、傾斜角度が正になるのを防ぐため、スライド機構68を後方に駆動する。すなわち、図4(d)に示すように、車体部77を後方にスライド移動させる。
このようにして、目標位置に収束するまで、フィードバック制御する。すなわち、図4(e)に示すように、傾斜角度が目標傾斜角度(例えば、0°)になって、倒立が安定するまでフィードバック制御する。このように、スライド機構68の駆動を前方、及び後方に駆動させる。すなわち、駆動輪78を回転させながら、後方へのスライド移動と前方へのスライド移動を繰り返し行う。これにより、傾斜角度が目標傾斜角度になるように、移動体100の姿勢が収束していく。また、その場で停止させる場合は、傾斜角速度が0になるようにフィードバック制御する。
なお、上記のように、スライド機構68の駆動に対する制御目標値をスライド速度とすることできる。あるいは、スライド機構68の駆動に対する制御目標値をスライド位置やスライド力(モータトルク)としてもよい。また、駆動輪78に対する指令は、車輪トルク値とすることができる。
次に、本実施の形態にかかる移動体100の制御方法について、図5を用いて説明する。図5は、制御方法を示すフローチャートである。まず、スイングアームの動作を開始する(ステップS101)。すなわち、スイングアーム関節67の角度を変えて、補助輪51を地面から離していく。これにより、接地状態から離地状態へ移行していく。アーム角の判定を行い(ステップS102)、スイングアーム関節67のアーム角を測定して、アーム角が許容範囲内か否かを判定する(ステップS103)。アーム角が許容範囲内になると、補助輪51の高さが地面からしきい値以上離れることになる。具体的には、まず、スイングアーム関節67の関節角度がしきい値を超えているか否かを判定する。すなわち、スイングアーム関節67に設けられているエンコードなどによって、スイングアーム関節67の関節角度(アーム角)を測定する。そして、測定した関節角度としきい値とを比較する。スイングアーム関節67の駆動直後は、右スイングアーム駆動モータ60、及び左スイングアーム駆動モータ64の駆動量が小さいため、許容範囲を越える。すなわち、アーム角が許容範囲外となり、ステップS102のアーム角判定に戻る。そして、許容範囲内になるまで、スイングアーム関節67を駆動する。
そして、スイングアーム関節67の関節角度が許容範囲内になった場合、倒立制御を開始する(ステップS104)。すなわち、スイングアーム関節67の関節角度を駆動していくと、駆動量が大きくなっていく。これにより、アーム角が許容範囲内となり、補助輪51が一定の高さ以上、地面から離れるていることが確認される。すなわち、スイングアーム関節67の関節角度が許容範囲内になってから駆動輪78、及びスライド機構68の駆動を開始する。許容範囲内になった後は、倒立制御を開始して、制御目標値を算出する。上記のように、姿勢の傾斜角度、姿勢の傾斜角速度、駆動輪の回転速度、スライド機構68のスライド量が制御目標値として算出される。
そして、上記の制御目標値に基づいて、駆動輪78、及びスライド機構68を駆動する(ステップS105)。すなわち、制御目標値に追従するように、駆動輪78、及びスライド機構68の駆動を制御する。例えば、各モータの駆動トルクが指令値として与えられ、フィードバック制御が行われる。そして、目標位置に収束したか否かを判定する(ステップS106)。目的位置に収束した場合は、制御を終了し、収束していない場合は、ステップS104からの処理を繰り返す。例えば、スイングアーム関節67が目標角度になり、移動体100が操作モジュール46からの入力に応じた目標位置や目標速度になったか否かを判定する。あるいは、その場に停止する場合は、傾斜角度が目標傾斜角度、傾斜角速度が0に収束するまでフィードバック制御する。このように制御することが、より安全に、補助輪51を立ち上げることができる。
次に、駆動輪78とスライド機構68の協調制御の一例について、説明する。本実施の形態では、2輪台車モデルから出てくる運動方程式を利用し、モデルベースで制御する。具体的には、傾斜角度η、駆動輪78の回転角度θ、スライド機構68のスライド位置sとすると、それぞれ、以下の方程式(1)〜(3)に基づいて、制御目標値を制御することができる。


なお、式(1)〜(3)では、図6に示すように、mを駆動輪の質量、Jを駆動輪78の慣性モーメント、mを車体12の質量、Jを車体12の慣性モーメント、mを車体部77の質量、Jを車体部77の慣性モーメント、rを駆動輪78の半径、lを駆動輪の中心から車体12の重心までの距離、lを車体12の重心から車体部77の重心までの距離、fr1を駆動輪78と車体12との粘性摩擦係数、fr2をスライド機構68の粘性摩擦係数、Jm1は、モータ34、36の慣性モーメント、Jm2は搭乗席駆動モータ70の慣性モーメント、nは駆動輪78のギア比、nはスライド機構68の減速比、gは重力加速度である。このようにして、モータ34、36の駆動トルクu、及び搭乗席駆動モータ70の駆動トルクuを求めることができる。そして、これらの駆動トルクをスイングアーム関節67、及び駆動輪78のモータに指令値として出力して、フィードバック制御を行う。
なお、上記の説明では、補助輪51を接地させる構成の移動体について説明したが、補助輪51以外の構成を接地させていてもよい。例えば、転倒防止部材としてのストッパを駆動輪78の前後に設けてもよい。すなわち、地面と接地可能な接地部材が駆動輪78と前後に離間して設けられている構成であればよい。そして、地面と接地する接地部材を持ち上げる立ち上げ動作のときに、上記の処理を行う。これにより、立ち上がり動作時の安定性を向上することができる。また、スイングアームによって車体12の高さを変える構成に限らず、補助輪やストッパ自体を駆動して、立ち上げ動作を行ってもよい。この場合、補助輪などが車体12に対して移動することになる。さらには、離地状態から接地状態へと移行させる際に、上記の処理を行ってもよい。
本実施の形態では、2輪型の移動体100について説明したが、駆動輪の数は、これに限られるものではない。1輪型の移動体でもよく、3以上の駆動輪を有する移動体であってもよい。もちろん、スイングアームを構成するアームの本数は、2本でも、3本以上でもよい。搭乗席74を駆動する関節は、直動関節に限られるものではなく、例えば、回動関節であってもよい。この場合、回動関節は、搭乗席74を前後方向に回動させて、搭乗席74及び搭乗者の重心位置を変化させる。また、前方への移動に限らず、後方への移動も同様に制御することができる。
上記の例では、操作者が移動体100に搭乗しているものとして説明したが、これに限るものではない。例えば、遠隔で操縦を行なう移動体に対しても適用することができる。さらに、上記の説明では、搭乗席74を有する移動体100について説明したが、物体運搬用の移動台車であってもよい。もちろん、移動ロボットなどのその他の移動体であってもよい。
本発明の実施の形態にかかる移動体の構成を示す側面図である。 本発明の実施の形態にかかる移動体の構成を示す正面図である。 本発明の実施の形態にかかる移動体の制御系の構成を示すブロック図である 本発明の実施の形態にかかる移動体の姿勢を説明するための側面図である。 本発明の実施の形態にかかる移動体の制御方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態にかかる移動体において、制御目標値を算出する方法を示す図である。
符号の説明
12 車体、17 右スイングアーム、19 左スイングアーム、
18 右駆動輪、20 左駆動輪、21 右上リンク、22 左上リンク、
26 右マウント、28 左マウント、
30 車軸、32 車軸、34 右輪駆動モータ、36 左輪駆動モータ、
41 本体部、42 操作レバー、43 操作角センサ、44 バッテリモジュール、
46 操作モジュール、48 ジャイロセンサ、51 補助輪、
52 右輪エンコーダ、54 左輪エンコーダ、55 補助輪支持ブロック、
58 センサ、60 右スイングアーム駆動モータ、62 右スイング軸
64 左スイングアーム駆動モータ、66 左スイング軸
67 スイングアーム関節、68 スライド機構、
70 搭乗席駆動モータ、72 ラックアンドピニオン、74 搭乗席、
76 上体部、77 車体部、78 駆動輪、
80 制御部、81 スイングアーム制御部、82 駆動輪・スライド協調制御部、
83 センサ類、100 移動体、

Claims (6)

  1. 車輪を回転可能に支持する車台と、
    前記車輪を回転駆動する第1の駆動部と、
    支持部材を介して前記車台に対して回動可能に支持された車体部と、
    前記車体部を駆動する第2の駆動部と、
    前記車輪と離間して設けられた接地可能な接地部材と、
    前記接地部材の高さを変化させて、前記接地部材が接地した接地状態と離地した離地状態とを切換える第3の駆動部と、
    前記第1の駆動部、前記第2の駆動部、及び第3の駆動部を制御する制御部と、を備える倒立車輪型移動体であって、
    前記制御部が、
    前記接地状態から前記離地状態へと移行するために、前記第3の駆動部を駆動させている時に、前記第3の駆動部の駆動量がしきい値を超えたか否かを判定し、
    前記駆動量がしきい値を越えた後に、前記第1及び第2の駆動部の制御を開始して、前記倒立車輪型移動体を倒立させる倒立車輪型移動体。
  2. 前記制御部が、前記倒立車輪型移動体の姿勢の傾斜角度と、前記倒立車輪型移動体の姿勢の傾斜角速度と、前記車輪の回転速度と、前記第2の駆動部の駆動速度とに基づいて、前記第1及び第2の駆動部をフィードバック制御する請求項1に記載の倒立車輪型移動体。
  3. 前記接地部材が前記車輪の前後に設けられた補助輪を有している請求項1、又は2に記載の倒立車輪型移動体。
  4. 車輪を回転可能に支持する車台と、
    前記車輪を回転駆動する第1の駆動部と、
    支持部材を介して前記車台に対して回動可能に支持された車体部と、
    前記車体部を駆動する第2の駆動部と、
    前記車輪と離間して設けられた接地可能な接地部材と、
    前記接地部材の高さを変化させて、前記接地部材が接地した接地状態と離地した離地状態とを切換える第3の駆動部と、
    前記第1の駆動部、前記第2の駆動部、及び第3の駆動部を制御する制御部と、を備える倒立車輪型移動体の制御方法であって、
    前記接地状態から前記離地状態へと移行するために、前記第3の駆動部を駆動するステップと、
    前記第3の駆動部の駆動量がしきい値を超えたか否かを判定するステップと、
    前記駆動量がしきい値を越えた後に、前記第1及び第2の駆動部の制御を開始して、前記倒立車輪型移動体を倒立させるステップと、を備える倒立車輪型移動体の制御方法。
  5. 前記倒立させるステップでは、前記倒立車輪型移動体の姿勢の傾斜角度と、前記倒立車輪型移動体の姿勢の傾斜角速度と、前記車輪の回転速度と、前記第2の駆動部の駆動速度とに基づいて、前記第1及び第2の駆動部をフィードバック制御する請求項4に記載の倒立車輪型移動体の制御方法。
  6. 前記接地部材が前記車輪の前後に設けられた補助輪を有している請求項4、又は5に記載の倒立車輪型移動体の制御方法。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010280343A (ja) * 2009-06-08 2010-12-16 Toyota Motor Corp 倒立型移動体及び移動体の倒立制御方法
JP2011068224A (ja) * 2009-09-24 2011-04-07 Honda Motor Co Ltd 倒立振子型移動体
JP2011195079A (ja) * 2010-03-23 2011-10-06 Toyota Motor Corp 倒立型移動体及びその制御方法
JP2013521174A (ja) * 2010-02-26 2013-06-10 セグウェイ・インコーポレイテッド 車両を制御するための装置及び方法
CN112334383A (zh) * 2018-06-20 2021-02-05 本田技研工业株式会社 移动体

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010280343A (ja) * 2009-06-08 2010-12-16 Toyota Motor Corp 倒立型移動体及び移動体の倒立制御方法
JP2011068224A (ja) * 2009-09-24 2011-04-07 Honda Motor Co Ltd 倒立振子型移動体
JP2013521174A (ja) * 2010-02-26 2013-06-10 セグウェイ・インコーポレイテッド 車両を制御するための装置及び方法
EP2979964A1 (en) * 2010-02-26 2016-02-03 Segway Inc. Apparatus and method for control of a vehicle
JP2011195079A (ja) * 2010-03-23 2011-10-06 Toyota Motor Corp 倒立型移動体及びその制御方法
CN112334383A (zh) * 2018-06-20 2021-02-05 本田技研工业株式会社 移动体
EP3812256A4 (en) * 2018-06-20 2021-07-28 Honda Motor Co., Ltd. MOBILE BODY

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