JP2010221784A - 倒立車輪型移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】障害物の検知に優れ、かつ装置の小型化を図ることができる倒立車輪型移動体を提供すること。
【解決手段】本発明にかかる倒立車輪型移動体１０は、搭乗席２に搭乗者が座った状態で搭乗する移動体であり、例えば、倒立二輪型電動車椅子である。移動体１０は、障害物検出センサである薄型レーザセンサ６を備えている。薄型レーザセンサ６は、フットレスト４や転倒防止バー５、さらには駆動輪３のホイールに設置することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、倒立車輪型移動体に関し、より詳しくは障害物検知センサを備えた倒立二輪型電動車椅子に関する。

搭乗者が座って乗った状態で操作レバーやブレーキレバーを操作することにより移動を制御できる同軸二輪車が提案されている（例えば、特許文献１）。この同軸二輪車の走行制御においては、左右の駆動輪について回転角や回転角速度の目標値を設定し、設定した目標値に追随するよう、制御が行われる。このとき、特許文献１に開示された同軸二輪車では、目標値を、操作レバーやブレーキレバー等の操作モジュールの操作状態のみならず、障害物検知センサからの検知信号の有無に基づいて設定している。
そして、特許文献１にかかる同軸二輪車では、障害物検知センサを搭乗席の下方に位置するハウジングの前方に設けている。

特開２００７−２０３９６５号公報

特許文献１に開示された同軸二輪車の場合のように、障害物検知センサをハウジングの前方に設けると、どうしても、搭乗者の脚が邪魔になり、センシングエリア（検出領域）が狭くなってしまう。このとき、センシングエリアに人が入らない位置、例えばステー等を用いて搭乗者が邪魔にならない程度前方に障害物検知センサを配置することも考えられる。しかしながら、このような位置に障害物検知センサを配置すると、障害物検知センサが車両本体より前方に突出してしまうため、走行動作や旋回動作時に障害物検知センサが回りの物や人と接触し、危険性が高まるという問題がある。
特に、倒立二輪型電動車椅子では、電動車椅子のＪＩＳ規格において外形が規定されているため、その範囲に収める必要があるが、障害物検知センサとして一般に用いられるレーザセンサの外形が大きいため、適切な場所に設置することは困難であった。この課題は、倒立二輪型電動車椅子に限らず、走行時に人や物との衝突を避ける必要性から他の移動体においても有する。

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、障害物の検知に優れ、かつ装置の小型化を図ることができる倒立車輪型移動体を提供することを目的とする。

本発明にかかる倒立車輪型移動体は、搭乗者が座った状態で搭乗する倒立車輪型移動体であって、搭乗者の脚を載置するためのフットレストと、前記フットレストに設置された障害物検出センサとを備えたものである。
ここで、前記フットレストは、倒立車輪型移動体の車台に内蔵可能であることが好ましい。

本発明にかかる他の観点による倒立車輪型移動体は、搭乗者が座った状態で搭乗する倒立車輪型移動体であって、当該倒立車輪型移動体の駆動輪の前方又は後方に設けられた転倒防止バーと、前記転倒防止バーに設置された障害物検出センサとを備えたものである。
ここで、前記障害物検出センサは、リンク機構を介して前記転倒防止バーに対して回転可能に取り付けられていることが好ましい。

本発明にかかる他の観点による倒立車輪型移動体は、搭乗者が座った状態で搭乗する倒立車輪型移動体であって、当該倒立車輪型移動体の駆動輪の側面に障害物検出センサを備えたものである。
ここで、前記障害物検出センサは、前記駆動輪のホイールに固定されていることが好ましい。

また、前記障害物検出センサは、前記駆動輪の回転軸近傍から外周に向かって検出範囲を有するようにするとよい。

若しくは、前記障害物検出センサは、検出範囲の中心がピッチ軸方向となるように配置するようにしてもよい。

上述の障害物検出センサは、典型的には、薄型レーザセンサである。
また、上述の倒立車輪型移動体は、典型的には、倒立二輪型電動車椅子である。

本発明は、障害物の検知に優れ、かつ装置の小型化を図ることができる倒立車輪型移動体を提供することができる。

発明の実施の形態にかかる倒立車輪型移動体の構成を示す側面図である。 発明の実施の形態にかかる倒立車輪型移動体において用いられる薄型レーザセンサを示す斜視図である。 発明の実施の形態にかかる倒立車輪型移動体に備えた薄型レーザセンサの検出範囲を説明するための上面図である。 発明の実施の形態にかかる倒立車輪型移動体の構成を示す側面図である。 発明の実施の形態にかかる倒立車輪型移動体の構成を示す側面図である。 発明の実施の形態にかかる倒立車輪型移動体の構成を示す側面図である。 発明の実施の形態にかかる倒立車輪型移動体の構成を示す側面図である。 発明の実施の形態にかかる倒立車輪型移動体に備えた薄型レーザセンサの検出範囲を説明するための斜視図である。 発明の実施の形態にかかる倒立車輪型移動体に備えた薄型レーザセンサの検出範囲を説明するための斜視図である。 発明の実施の形態にかかる倒立車輪型移動体に備えた薄型レーザセンサの検出範囲を説明するための上面図である。

発明の実施の形態１．
本実施の形態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同軸二輪車である。倒立車輪型移動体は、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。以下に説明する例では、倒立車輪型移動体として、倒立二輪型電動車椅子（以下、単に「車椅子」とする）に本発明を適用した例を説明する。

図１を用いて、本実施の形態にかかる車椅子１０の構成について説明する。車椅子１０は、倒立車輪型の移動体（走行体）であり、同軸上に配置された右駆動輪３と、左駆動輪３とを備えている。車椅子１０は、搭乗者が搭乗する搭乗席２を有している。したがって、車椅子１０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、車椅子１０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、車椅子１０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、車椅子１０がユーザの近傍まで移動する。そして、車椅子１０がユーザの前まで移動した後、ユーザが搭乗する。

搭乗席２は、シートと、シートバックとを有している。シートは、搭乗者が座る座面となるため、ほぼ水平に配置されている。シートバックは、斜め後ろ方向に延びるように形成され、搭乗者の背中を支える背もたれ部となる。

搭乗席の直下には、車台１が配置されている。車台１には、右駆動輪３及び左駆動輪３が取り付けられている。車台１は、右駆動輪３及び左駆動輪３を回転可能に支持している。右駆動輪３及び左駆動輪３は、車椅子１０を移動させるための車輪（駆動輪）である。右駆動輪３及び左駆動輪３は、車軸（回転軸）周りに回転する。すなわち、右駆動輪３及び左駆動輪３は同軸上に配置されている。

この車台１には、右駆動輪３、左駆動輪３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、車椅子１０は倒立車輪型移動体であるため、搭乗席２などを含む車体（上体部）が車軸回りに傾斜する。すなわち、搭乗席２などを含む車体が回転可能に支持されている。車体は、車軸を回転中心として回転する上体部となる。倒立状態では、右駆動輪３及び左駆動輪３の駆動によって、車体の傾斜角が変化する。車体には、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。

車台１の前方には、フットステップ４が設けられている。搭乗者は、フットステップ４に一度乗った後、搭乗席２に座る。フットステップ４は、搭乗席２の下側に取り付けられている。また、フットステップ４は、搭乗席２の前方に延びている。図１に示すように、フットステップ４には、搭乗者８０の両足が載置される。

また、車台１の底面には、転倒を防止するための転倒防止バーである前方バー５ａ及び後方バー５ｂが設けられている。すなわち、車軸よりも前側に配置された前方バー５ａ、及び車軸よりも後ろ側に配置された後方バー５ｂ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５ａは、車台１の前側斜め下方向に突出し、後方バー５ｂは、車台１の後ろ側斜め下方向に突出している。従って、過度に前傾になると、前方バー５ａの先端が地面と接触し、過度に後傾になると後方バー５ｂの先端が地面と接触する。

前方バー５ａ及び後方バー５ｂは、回転駆動できるようになっている。また、前方バー５ａ及び後方バー５ｂ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５ａ及び後方バー５ｂは、地面から離れている。また、搭乗者が乗り降りするタイミングでは、補助輪を含む前方バー５ａ及び後方バー５ｂが地面と接触する。

搭乗席２の両側には、アームレストが設けられている。さらに、アームレストには、操作モジュール（図示せず）が設けられている。操作モジュールには、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、搭乗者が車椅子１０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車椅子１０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車椅子１０の移動方向を指定することができる。車椅子１０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、車椅子１０を制動することができる。

本実施の形態にかかるフットステップ４には、障害物検知センサである薄型レーザセンサ６を設けている。より具体的には、当該薄型レーザセンサ６は、フットステップ４の先端部近傍に内蔵され、当該薄型レーザセンサ６からレーザが出射し、障害物等で反射したレーザが入射するように配置されている。

ここで、薄型レーザセンサ６の構造を図２に示す。図２に示されるように、当該薄型レーザセンサ６は、例えば、縦１０ｍｍ〜３０ｍｍ、横７０ｍｍ〜１００ｍｍ、奥行５０ｍｍ〜８０ｍｍ程度の大きさを有する。また、当該薄型レーザセンサ６は、１３０ｇ〜１６０ｇ程度の重さを有する。薄型レーザセンサ６は前方の中央から放射線状にレーザが出力され、図２，３で示される測定範囲Ｐを有する。

薄型レーザセンサ６は、レーザレンジファインダとも呼ばれ、前方に対して所定の広がり角度でレーザ光を照射するための光源と、光源より照射されたレーザ光の反射光を受光するための受光部とを備えている。そして、レーザ光の照射した角度と、反射するまでに要した時間に基づいて、レーザ光の反射した物体の位置を検出する、いわゆるＴＯＦ（Time Of Flight）の原理による物体検知（センシング）が行われる。薄型レーザセンサ６によって、移動方向の環境情報を取得することができる。

薄型レーザセンサ６を内蔵したフットステップ４は、図４に示されるように、車台１の内部に収納される機構を備えていてもよい。例えば、車台１にフットステップ４が収納される空間である収納部を設け、さらに、フットステップ４を当該収納部に移動させるガイドを設ける。フットステップ４は、モータ等の駆動手段によって収納部へ移動させるようにしてもよく、ユーザによって移動させるようにしてもよい。

薄型レーザセンサ６は、車台１の内部に収納された状態においても、その前面は、解放しているため、障害物の検知は可能であり、移動方向の環境情報の取得も可能である。このような構成により、突起部分を少なくすることができるため、自律移動時における衝突の危険性を減少させることができる。

車台１には、バッテリ及び制御ボックスが搭載されている。バッテリ及び制御ボックスは、車体の傾斜角度に応じて、車軸に対する前後位置が変化する。車台１に設けられているベースプレートの上に、バッテリ及び制御ボックスが載置されている。

制御ボックスは、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、車椅子１０の各種動作を制御する。そして、この制御ボックスは、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。制御ボックスは、操作モジュールでの操作に応じて、所望の加速度及び目標速度になるように、また、車椅子１０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、車椅子１０が、操作モジュールでの操作に応じて加減速しながら走行する。

制御ボックスには、ジャイロセンサから傾斜角度、操作モジュールからその操作量、エンコーダからモータの回転速度、薄型レーザセンサ６から検出信号がそれぞれ入力されている。制御ボックスは、これらの入力に基づいて、右駆動輪３及び左駆動輪３を駆動するモータに対して指令トルクを出力する。制御ボックスは、薄型レーザセンサ６により検出された路面形状に関する情報によって、路面上に存在する段差部や障害物等の存在を検知し、これらの障害物等を回避した走行経路の作成等を行うことができる。制御ボックスは、操作モジュールからの操作量とジャイロセンサ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。制御ボックスは、アンプなどを介して、モータに駆動トルクに応じた指令値を出力する。これにより、車椅子１０が、操作量に応じた速度及び方向に移動する。

以上、説明したように、本実施の形態にかかる倒立車輪型移動体は、搭乗者が乗った状態であっても、搭乗者の脚が邪魔にならず、前方を広範囲にわたって障害物等を検出することができる。また、センサ用の特別なステーを設ける必要がないため、装置を小型化することができ、走行動作や旋回動作時に回りの物や人と、障害物検知センサが接触せず、安全性を高めることができる。また、人が当該同軸二輪車を乗り降りする動作においても、障害物検知センサは邪魔にならない。特に、本実施の形態にかかる車椅子は、電動車椅子のＪＩＳ規格に定める外形範囲に容易に収めることができる。

発明の実施の形態２．
本実施の形態２にかかる倒立車輪型移動体は、図５に示されるように、転倒を防止するための転倒防止バーである前方バー５ａ及び後方バー５ｂのそれぞれに、障害物検知センサである薄型レーザセンサ６ａ，６ｂを設けている。より具体的には、薄型レーザセンサ６ａ，６ｂは、平板状の前方バー５ａ及び後方バー５ｂのそれぞれの上面に固定されている。

薄型レーザセンサ６ａは、前方斜め下方向を検出範囲としている。薄型レーザセンサ６ｂは、後方斜め下方向を検出範囲としている。薄型レーザセンサ６ａ，６ｂは、障害物を検出できるとともに、本例では、路面までの距離を測定することができる。このため、薄型レーザセンサ６ａ，６ｂの検出信号を解析して路面までの距離情報を取得することによって、倒立車輪型移動体のピッチ方向の傾きを認識することができ、バランス制御へフィードバックすることが可能となる。

また、路面に落ちている、小石等の障害物を検出することができるため、衝突前に、倒立車輪型移動体を停止或いは回避させることができる。
なお、本例では、前方バー５ａ及び後方バー５ｂのそれぞれに薄型レーザセンサ６ａ，６ｂを設けたが、これに限らず、いずれか一方のみ設けるようにしてもよい。

さらに、図６に示されるように、前方バー５ａ及び後方バー５ｂのそれぞれの先端部にリンク機構を介して薄型レーザセンサ６ａ，６ｂを設けるようにしてもよい。このとき、薄型レーザセンサ６ａ，６ｂが常に水平を保つように、回転駆動する機構を当該リンク機構に備えるようにしてもよい。このような構成により、薄型レーザセンサ６ａ，６ｂによる検出範囲を広げることが可能となる。

発明の実施の形態３．
本実施の形態３にかかる倒立車輪型移動体は、図７に示されるように、右駆動輪３及び左駆動輪３の側面に、障害物検知センサである薄型レーザセンサ６を設けている。具体的には、薄型レーザセンサ６ａ，６ｂは、右駆動輪３ａ及び左駆動輪３ｂのそれぞれのホイールに設けられている。薄型レーザセンサ６ａ，６ｂは、図８に示されるように、右駆動輪３ａ及び左駆動輪３ｂの回転軸から外周に向かって幅広な検出範囲を有する。

薄型レーザセンサ６ａ，６ｂは、右駆動輪３ａ及び左駆動輪３ｂが回転すると、その回転軸周りに、障害物や路面までの距離を測定しながら回転する。右駆動輪３ａ及び左駆動輪３ｂのそれぞれの回転を示すエンコーダ値と、当該薄型レーザセンサ６ａ，６ｂの測定した距離データに基づいて、３次元データを復元することができる。これにより、倒立車輪型移動体の側面の三次元障害物情報を認識することができ、例えば、上り坂等、二次元情報からはわからなかった物体を検出することができる。

図９に示されるように、検出方向（検出範囲）の中心がピッチ軸方向となるようにレーザセンサ６ａ，６ｂを配置するようにしてもよい。この場合にも、倒立車輪型移動体の側面の三次元障害物情報を認識することができ、例えば、上り坂等、二次元情報からはわからなかった物体を検出することができる。

その他の実施の形態．
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。

上述の例では、障害物検知センサとして、レーザセンサを用いたが、これに限らず、その他のセンサを用いてもよい。例えば、超音波センサを用いることができる。超音波センサは、前方について所定の広がり角度で同時に超音波を照射する超音波照射部と、照射された超音波の反射を受信する受信部とを備えている。そして、受信した超音波の強度に基づいて、超音波を照射した領域に存在する物体の大まかな位置及び形状をセンシングする。

１ 車台
２ 搭乗席
３ 駆動輪
４ フットステップ
５ａ 前方バー
５ｂ 後方バー
６ 薄型レーザセンサ
１０ 車椅子
Ｐ 検出範囲

Claims (10)

1. 搭乗者が座った状態で搭乗する倒立車輪型移動体であって、
   搭乗者の脚を載置するためのフットレストと、
   前記フットレストに設置された障害物検出センサとを備えた倒立車輪型移動体。
2. 前記フットレストは、倒立車輪型移動体の車台に内蔵可能であることを特徴とする請求項１記載の倒立車輪型移動体。
3. 搭乗者が座った状態で搭乗する倒立車輪型移動体であって、
   当該倒立車輪型移動体の駆動輪の前方又は後方に設けられた転倒防止バーと、
   前記転倒防止バーに設置された障害物検出センサとを備えた倒立車輪型移動体。
4. 前記障害物検出センサは、リンク機構を介して前記転倒防止バーに対して回転可能に取り付けられていることを特徴とする請求項３記載の倒立車輪型移動体。
5. 搭乗者が座った状態で搭乗する倒立車輪型移動体であって、
   当該倒立車輪型移動体の駆動輪の側面に障害物検出センサを備えた倒立車輪型移動体。
6. 前記障害物検出センサは、前記駆動輪のホイールに固定されたことを特徴とする請求項５記載の倒立車輪型移動体。
7. 前記障害物検出センサは、前記駆動輪の回転軸近傍から外周に向かって検出範囲を有することを特徴とする請求項５又は６記載の倒立車輪型移動体。
8. 前記障害物検出センサは、検出範囲の中心がピッチ軸方向となるように配置されていることを特徴とする請求項５又は６記載の倒立車輪型移動体。
9. 前記障害物検出センサは、薄型レーザセンサであることを特徴とする請求項１〜８いずれかに記載の倒立車輪型移動体。
10. 前記倒立車輪型移動体は、倒立二輪型電動車椅子であることを特徴とする請求項１〜９いずれかに記載の倒立車輪型移動体。

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