JP2010125969A - 移動体 - Google Patents

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    • G05D1/0891Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted for land vehicles

Abstract

【課題】搭乗者の有無に関わらず、簡便な構成で安定して移動することができる移動体を提供する。
【解決手段】本発明の一態様にかかる倒立車輪型移動体は、倒立振子制御によって移動する移動体100であって、搭乗者が搭乗する搭乗席11と、搭乗席11の下側に配置された車台12と、車台12に対して回転可能に取り付けられた右駆動輪18、左駆動輪20と、右駆動輪18、左駆動輪20を回転駆動するモータ34、36と、右駆動輪18、左駆動輪20の車軸C1よりも前方に設けられ、モータ34、36に電源を供給するバッテリ31と、を備えたものである。
【選択図】図2

Description

本発明は、移動体に関し、特に詳しくは倒立車輪制御によって移動する移動体に関する。
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。また、台車本体には、モータを駆動するためのバッテリーが搭載されている。このような倒立車輪型移動体では、例えば、ジャイロセンサからの出力に応じて、倒立状態を維持するように車輪が制御されている。すなわち、前後方向において、移動体全体の重心位置が車軸の上方になるように、車輪を制御する必要がある。
特開2006−205839号公報
倒立車輪型移動体に、搭乗者が座る搭乗席を設けた搭乗型の移動体も開発されている。搭乗型の移動体では、搭乗者が乗っている状態で倒立を安定させるために車輪を駆動する。また、実用上、搭乗者が乗っていない状態でも移動できるようにした方が好ましい。
搭乗者が乗っている状態と乗っていない状態とでは、重心位置が大きく変化することになる。すなわち、搭乗者を含む状態での重心位置と、搭乗者を含まない状態での重心位置とを比較すると、前後方向に大きなずれが生じることになる。この場合、搭乗者が搭乗した状態で倒立状態を維持できる傾斜角と、搭乗者が搭乗していない状態で倒立状態を維持できる傾斜角が大きく変わってしまう。このような場合、倒立制御を変える必要が生じる。
あるいは、地面からの車高が制限されてしまう。すなわち、車輪以外の部分が地面と接触しないようにするために、寸法マージンを大きくする必要がある。例えば、搭乗席の前側下方にフットステップを設けた場合を考える。この場合、倒立状態を維持するための傾斜角が大きく変化すると、フットステップの先端が地面に接触してしまうことになる。換言すると、搭乗者の有無に関わらず、車輪以外が地面に接触しないように、設計を行う必要がある。このため、設計に制約が生じてしまい、フットステップの大きさなどが制限される。このように、搭乗型の倒立車輪型移動体では、搭乗者の有無に関わらず安定して移動することが困難となってしまうという問題点がある。また、特許文献1のようにスライド機構を設けた場合、移動体の構成が複雑になってしまう。
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、搭乗者の有無に関わらず、簡便な構成で安定して移動することができる移動体を提供することを目的とする。
本発明の第1の態様にかかる移動体は、倒立振子制御によって移動する移動体であって、搭乗者が搭乗する搭乗席と、前記搭乗席の下側に配置された車台と、前記車台に対して回転可能に取り付けられた車輪と、前記車輪を回転駆動する駆動部と、前記車輪の車軸よりも前方に設けられ、前記駆動部に電源を供給するバッテリと、を備えたものである。これにより、搭乗者の有無による、移動体の倒立状態での傾斜角度の変化を小さくすることができる。よって、前後のバランスを取ることができるため、搭乗者の有無に関わらず、簡便な構成で安定して移動することができる。
本発明の第2の態様にかかる移動体は、上記の移動体であって、前記バッテリよりも軽量で、前記車軸よりも後方に設けられ、前記駆動部を制御する制御部をさらに備えるものである。これにより、余分なスペースを低減することができ、移動体の小型化を図ることができる。
本発明の第3の態様にかかる移動体は、上記の移動体であって、前記搭乗席に背もたれが設けられていることを特徴とするものである。これにより、後傾姿勢になりやすい構成であっても、容易に安定して走行することができる。
本発明は、搭乗者の有無に関わらず、簡便な構成で安定して移動することができる移動体、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乃至図3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斜視図であり、図2は移動体100の構成を模式的に示す図であり、左側に側面図、右側に正面図が示されている。図3は、移動体100に搭乗者が搭乗した様子を示している。なお、図1、図2に示すように、移動体100の前方向を+X方向とし、左方向を+Y方向とし、上方向を+Z方向としている。また、図1、図2では、説明の明確化のため、一部の構成について透視して示している。
移動体100は、倒立車輪型の移動体(走行体)であり、図2に示されるように、同軸上に配置された右駆動輪18と、左駆動輪20とを備えている。ここで、右駆動輪18と左駆動輪20の回転軸を車軸C1とする。移動体100は、搭乗者が搭乗する搭乗席11を有している。したがって、移動体100は、人が座った状態で移動が可能な、座り乗り型モビリティロボットである。また、移動体100は、人が乗っていない状態でも移動可能である。例えば、搭乗したいユーザが遠隔で操作すると、移動体100がそのユーザの位置まで移動する。例えば、ユーザが呼び出しボタンなどを押すことで、移動体100がユーザの近傍まで移動する。そして、移動体が移動ユーザの前まで移動した後、ユーザが搭乗する。
移動体100には、その骨格となるフレーム10が設けられている。フレーム10は、軽量なアルミニウムパイプなどによって構成されている。さらに、フレーム10を覆うカバー13が設けられている。カバー13は、後述する車台12などを覆っている。移動体100には、椅子形状の搭乗席11が設けられている。搭乗席11は、カバー13やフレーム10に固定されている。フレーム10及びカバー13は、搭乗席11の形状に沿って屈曲している。
搭乗席11は、シート11aと、シートバック11bとを有している。シート11aは、搭乗者80が座る座面となるため、ほぼ水平に配置されている。搭乗者80がシート11aの上に座ることで、図3に示すように搭乗者80が搭乗した状態での移動が可能となる。シートバック11bは、斜め後ろ方向に延びるように形成され、搭乗者80の背中を支える背もたれ部となる。したがって、搭乗者80がシートバック11にもたれた状態で、移動体100が移動する。
搭乗席11の直下には、車台12が配置されている。車台12には、右駆動輪18、及び左駆動輪20が取り付けられている。車台12は、右駆動輪18、及び左駆動輪20を回転可能に支持している。右駆動輪18、及び左駆動輪20は、移動体100を移動させるための車輪(駆動輪)となる。右駆動輪18、及び左駆動輪20は、車軸C1周りに回転する。すなわち、右駆動輪18、及び左駆動輪20は同軸上に配置されている。車台12は、フレーム10に取り付けられている。
この車台12には、右駆動輪18、左駆動輪20を駆動するためのモータ(図示せず)等が搭載されている。また、移動体100は倒立車輪型移動体であるため、搭乗席などを含む車体22(上体部)が車軸C1回りに傾斜する。すなわち、搭乗席11などを含む車体22が回転可能に支持されている。車体22は、車軸C1を回転中心として回転する上体部となる。換言すると、車軸C1を回転中心として、傾斜する部分が車体22となる。この車体22は、フレーム10やカバー13や搭乗席11などを含んでいる。さらには、車台12の一部、又は全部が車体22に含まれていてもよい。倒立状態では、右駆動輪18、及び左駆動輪20の駆動によって、車体22の傾斜角が変化する。車体22には、傾斜角度を測定するためのジャイロセンサなどが設けられている。なお、図1に示すように、右駆動輪18と左駆動輪20の中間を座標中心Oとしている。すなわち、座標系の原点となる座標中心Oは、車軸C1上に存在する。移動体100の進行方向は、水平面内において、車軸C1と垂直な方向になる。
車台12の前方には、フットステップ17が設けられている。搭乗者80は、フットステップ17に一度乗った後、搭乗席11に座る。フットステップ17は、搭乗席11の下側に取り付けられている。また、フットステップ17は、搭乗席11の前方に延びている。図3に示すように、フットステップ17には、搭乗者80の両足が載置される。フットステップ17は、車台12に取り付けられている。
また、フットステップ17の途中には、転倒を防止するための前方バー14が設けられている。また、車台12の後方には、転倒を防止するための後方バー15が設けられている。すなわち、車軸C1よりも前側に配置された前方バー14、及び車軸C1よりも後ろ側に配置された後方バー15によって、前後方向への転倒を防止することができる。前方バー14は、車台12の前側に突出し、後方バー15は、車台12の後ろ側に突出している。従って、過度に前傾になると、前方バー14の先端が地面と接触し、過度に後傾になると後方バー15の先端が地面と接触する。
前方バー14、及び後方バー15は、回転駆動できるようになっている。前方バー14、及び後方バー15の回転軸は、右駆動輪18、左駆動輪20の車軸C1よりも下側(−Z側)に配置されている。また、前方バー14、及び後方バー15の先端には、補助輪が設けられている。倒立状態において、補助輪を含む前方バー14、及び後方バー15は、地面から離れている。また、搭乗者80が乗り降りするタイミングでは、補助輪を含む前方バー14、及び後方バー15が地面と接触する。
搭乗席11の両側には、アームレスト16が設けられている。アームレスト16は、フレーム10やカバー13に固定されている。アームレスト16は搭乗者80の肘よりも若干低い位置から前方に伸びている。アームレスト16はシート11aよりも高い位置に配置されている。また、アームレスト16はシート11aとほぼ平行になっている。アームレスト16は、搭乗席11の左右両側に、それぞれ配置されている。これにより、搭乗者80は、両腕をアームレスト16上に載置することができる。アームレスト16は、シートバック11bの中段に取り付けられている。図3に示すように、搭乗者80が座った状態で、アームレスト16の上に両腕が載せられる。
さらに、アームレスト16には、操作モジュール21が設けられている。ここでは、操作モジュール21が右側のアームレスト16上に搭載されている。また、操作モジュール21は、アームレスト16の先端側に取り付けられている。これにより、搭乗者80の右手の位置に、操作モジュール21が配置されるため、操作性を向上することができる。操作モジュール21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。もちろん、操作モジュール21は左側のアームレスト16の搭載してもよく、両側のアームレスト16に搭載してもよい。さらには、アームレスト16以外に操作モジュール21を搭載してもよい。
車台12には、バッテリ31、及び制御ボックス32が搭載されている。バッテリ31.及び制御ボックス32は、車体22の傾斜角度に応じて、車軸C1に対する前後位置が変化する。車台12に設けられているベースプレートの上に、バッテリ31、及び制御ボックス32が載置されている。したがって、バッテリ31、及び制御ボックス32は、シート11aの直下に配置されることになる。ここでは、制御ボックス32の前側に2つのバッテリ31が配置されている。2つのバッテリ31は、Y方向に沿って配列されている。バッテリ31は、充放電可能な二次電池である。制御ボックス32によって、バッテリ31の充放電が制御されている。
制御ボックス32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、この制御ボックス32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。制御ボックス32は、操作モジュール21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、モータ等を制御する。これにより、移動体100が、操作モジュール21での操作に応じて加減速しながら走行する。
また、バッテリ31、及び制御ボックス32は、車軸C1よりも上方に設置されている。バッテリ31は、車軸C1よりも前側(+X側)には位置され、制御ボックス32は、車軸C1よりも後ろ側(−X側)に配置される。ここでは、制御ボックス32とバッテリ31とが離間して配置されている。すなわち、車軸C1の直上には、一定の隙間を隔てて、バッテリ31と制御ボックス32が対向配置されている。バッテリ31を車軸C1の前側に配置することで、車体22の重心位置を容易に車軸C1の直上に持って来ることができる。搭乗者80の有無に関わらず、同じ傾斜角度で、重心位置が車軸C1のほぼ直上になる。これについて、以下に説明する。
まず、移動体100の重心位置について説明する。倒立車輪型の移動体100では、倒立状態を維持するため、車軸C1の直上に車体12の重心位置が配置されることになる。また、移動体100に搭乗者80が乗っていても乗っていなくても、重心位置は車軸C1の鉛直線上に配置される必要がある。なお、移動体100本体の重量(搭乗者が搭乗していない状態の重量)は、搭乗者80を含めた移動体100全体の重量より軽くなる。また、移動体100本体は、搭乗者80と同程度かそれより軽くなる。特に、モータの小型化などの観点から、移動体100を軽量化することが好ましい。例えば、移動体100の重量は、約67kgであり、搭乗者80の重量と同等かそれ以下になっている。
座り乗り型の移動体100では、搭乗者80の乗り心地を考慮して設計されている。そのため、搭乗者80が搭乗した状態における重心位置が重要となっている。従って、標準的な体型の搭乗者80が搭乗した状態において、搭乗者80を含めた移動体100全体の重心位置が車軸C1の真上に対して近くなるように設計されている。このようにすることで、倒立移動中における車体の傾斜角度を小さくすることができる。すなわち、倒立移動中では、車軸C1の直上に重心位置が配置されるため、車体22の傾斜が小さくなる。搭乗席11のシート11aが水平になり、乗り心地が向上する。このため、前後方向(X方向)における搭乗席11の位置は、搭乗者80の重心位置が車軸C1に近くなるように設計されている。すなわち、車台12に対する搭乗席11の前後位置は、搭乗者80の重心を考慮して決定されている。
搭乗者80が座っていない状態では、搭乗者80を含む車体22の重心位置が、ずれることになる。搭乗者80の重量は、移動体100と同程度かそれ以上であるため、搭乗者80の有無によって重心位置が大きく変化する。搭乗者80無しの時に倒立を維持しようとする場合、搭乗者80有りの場合と比べて車体22が大きく傾斜することになる。換言すると、搭乗者80の方が移動体100よりも重いため、搭乗者無しの状態において、重心位置が車軸Xの後ろ側に合った場合でも、搭乗者有の状態では、重心位置が車軸C1の直上に近くなる。従って、搭乗者80の有無に応じて、車体22の傾斜角が変化してしまう。特に、フットステップ17、前方バー14、後方バー15を設けた場合、傾斜角が大きくなると、これらが地面と接触してしまう。このため、安定した走行が困難になってしまう。
そして、移動体100の設計上、搭乗者無しの状態における重心位置は、車軸C1よりも後ろ側(−X側)になる。従って、搭乗者有りの場合において、車体22の重心位置が車軸の真上になるように設計すると、搭乗者無しの場合において、車体22の重心位置が車軸C1の後方になる。そこで、本実施の形態では、バッテリ31を車軸C1の前方に設置している。すなわち、バッテリ31が車軸C1よりも+X側に配置されている。
通常、移動体100に搭載される全電気ユニット搭載品のうち、バッテリ31が最もユニット重量が大きくなる。例えば、全電気ユニットの総重量が約10kgとなり、1つのバッテリ31が約3.5kgとなると仮定する。ここでは、2つのバッテリ31が設けられているため、バッテリ31の合計重量は約7kgとなる。このように、電気ユニットの総重量に占めるバッテリ31の割合は、約70%となる。特に、搭乗者80無しの状態では、移動体100の重量がそれほど大きくないため、バッテリ31の配置が重要となる。すなわち、バッテリ31の配置に応じて、重心位置を車軸C1の上に持ってくることが可能になる。一方、搭乗者80有りの状態では、全体の重量が大きくなる。このため、バッテリ31の前側に移動したとしても、重心位置の変化は小さくなる。これにより、搭乗者有の状態でも、重心位置を車軸C1の直上にすることができる。
このように、電気ユニットの中で、非常に重いバッテリ31を車軸C1よりも前方に配置する。これにより、搭乗者80の有無による重心位置の変化を低減することができる。よって、傾斜角の変化が小さくなり、いずれの状態においても安定して走行することができる。また、車体22の傾斜角の変化が小さくなるため、フットステップ17、前方バー14、後方バー15等を地面に対して近づけることができる。すなわち、地面に対する寸法マージンを小さくすることができるため、設計の自由度が高くなる。よって、省スペース構造を得ることができ、移動体100の小型化に寄与することができる。
また、搭乗席11にシートバック11bが設けられているため、搭乗者80を含めた移動体全体の重心位置が後ろ側になりやすい。搭乗席11にシートバック11bが設けられている構成では、後ろ側の重量が大きくなる。搭乗者80がシートバック11bにもたれると、重心位置が後ろになりやすい。すなわち、搭乗者80が背もたれにもたれた場合、搭乗者80を含めた移動体全体の重心位置は、車軸C1より後に移動することになる。このような場合でも、バッテリ31が前側に配置されていることで、安定して走行することができる。
さらに、バッテリ31を前側に配置するとともに、バッテリ31よりも軽量な制御ボックス32を後ろ側に配置する。すなわち、制御ボックス32を車軸C1よりも後方に配置する。これにより、シート11aの直下において、不要なスペースを低減することができる。よって、省スペース化を図ることができ、移動体100の小型化に寄与することができる。
例えば、搭乗者有の状態において、バッテリ31を車軸C1の後ろ側に配置すると、重心位置の座標は(x,y,z)=(−23,2,159)となる。すなわち、重心位置が車軸C1よりも23mm後方になる。この場合、搭乗者無しで倒立を維持するために、車体22を8.2°前傾させる必要が生じてしまう。一方、バッテリ31を車軸C1の前側に配置すると、重心位置の座標は(x,y,z)=(1,2,159)となる。すなわち、重心位置が車軸C1から1mmしかずれない。この場合、搭乗者無しでも、0.36°後傾させるだけで倒立を維持することができる。これらの例では、搭乗者が搭乗している場合において、重心位置が車軸C1の略真上になっている。このように、バッテリ31を前側に配置することによって、搭乗者80の有無による傾斜角の変化を低減することができる。よって、安定して走行することができる。
また、既存のバッテリ31の配置を調整することで、移動体100の重量バランスを調整するために、余分な重りを載せる必要がなくなる。よって、移動体100の重量が大きくなるのを防ぐことができる。また、重心を移動させるためのスライド機構などを別途設ける必要がなくなる。機構の単純化、及びコストダウンを図ることができる。
次に、移動体100の制御系の構成について図4を用いて説明する。図4は、制御ボックス32を含む制御系の構成を示すブロック図である。
制御ボックス32には、車体22に設けられたジャイロセンサ33からの信号が入力されている。すなわち、ジャイロセンサ33で検出した傾斜角度が制御ボックス32に入力されている。ジャイロセンサ33は、例えば、車体22に設置されている。具体的には、、座標中心0の近傍において、ジャイロセンサ33は、車台12に固定されている。また、操作モジュール21での操作量が制御ボックス32に入力されている。例えば、前後方向の並進速度や、左右の旋回速度などが操作量として操作モジュール21から入力される。制御ボックス32には、モータ34、36の回転速度がエンコーダ38、39から入力されている。
制御ボックス32は、これらの入力に基づいて、右駆動輪18、及び左駆動輪20を駆動するモータ34、36に対して指令トルクを出力する。すなわち、モータ34が指令トルクに応じて、右駆動輪18を回転駆動し、モータ36が指令トルクに応じて左駆動輪20を回転駆動する。なお、モータ34,36からの動力は、プーリなどを介して、右駆動輪18、左駆動輪20に伝達されてもよい。
制御ボックス32は、操作モジュール21からの操作量とジャイロセンサ33からの検出信号に基づいて、倒立制御計算を行い、制御目標値を算出する。さらに、制御ボックス32は、モータの現在回転速度と、制御目標値に応じた目標回転速度の偏差を算出する。そして、制御ボックス32は、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。制御ボックス32は、アンプなどを介して、モータ34、36に駆動トルクに応じた指令値を出力する。これにより、移動体100が、操作量に応じた速度及び方向に移動する。
なお、バッテリ31は、制御ボックス32の各電気機器と、操作モジュール21と、ジャイロセンサ33と、モータ34、36と、エンコーダ38、39等に対して電源を供給している。すなわち、移動体100に搭載された全部、又は一部の電気機器がバッテリ31から供給される電源電圧によって動作する。
上記の例では、2輪型の移動体について説明したが、これに限られるものではない。すなわち、1輪の倒立車輪型移動体や3輪以上の倒立車輪型移動体についても適用可能である。
本発明の実施の形態にかかる移動体の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態にかかる移動体の構成を示す図である。 移動体に搭乗者が搭乗した状態を示す斜視図である。 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
符号の説明
10 フレーム
11 搭乗席
11a シート
11b シートバック
12 車台
13 カバー
14 前方バー
15 後方バー
16 アームレスト
17 フットステップ
18 右駆動輪
20 左駆動輪
21 操作モジュール
22 車体
31 バッテリ
32 制御ボックス
33 ジャイロセンサ
34 モータ
36 モータ
38 エンコーダ
39 エンコーダ
80 搭乗者
100 移動体
C1 車軸
O 座標中心

Claims (3)

  1. 倒立振子制御によって移動する移動体であって、
    搭乗者が搭乗する搭乗席と、
    前記搭乗席の下側に配置された車台と、
    前記車台に対して回転可能に取り付けられた車輪と、
    前記車輪を回転駆動する駆動部と、
    前記車輪の車軸よりも前方に設けられ、前記駆動部に電源を供給するバッテリと、を備えた移動体。
  2. 前記バッテリよりも軽量で、前記車軸よりも後方に設けられ、前記駆動部を制御する制御部をさらに備える請求項1に記載の移動体。
  3. 前記搭乗席に背もたれが設けられていることを特徴とする請求項1、又は2に記載の移動体。
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