JP2011057111A - Riding type moving device combined with a pair of one-leg placing type moving bodies - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一対の片足載置型移動体を組み合わせた乗用移動装置に関するものである。 The present invention relates to a riding moving apparatus that combines a pair of one-leg-mounted moving bodies.
近年、小型・軽量タイプのパーソナルモビリティとして、平行二輪独立駆動型倒立振子システムの研究開発がさかんに行われている。
この形態は車輪数が2つと少ない形態でありながら、前後のバランスを車輪の制御で確保することで、その場での静止が行えると同時に、左右車輪を独立に制御することで前・後進、旋回を行うことができる。また、モビリティの占有面積を小さくできるため、人混みの中などで使用する場合の親和性も良い。
In recent years, as a small and lightweight personal mobility, research and development of an inverted pendulum system with parallel two-wheel independent drive has been extensively conducted.
Although this form is a form with a small number of two wheels, by securing the balance between the front and rear by controlling the wheel, it can be stopped on the spot, and at the same time, the left and right wheels are controlled independently, moving forward and backward, A turn can be made. In addition, since the area occupied by mobility can be reduced, the affinity when used in crowded places is also good.
しかし一方で、こうしたシステムでは、
(1)走行・操舵を実現するために二輪それぞれに駆動モータ等のアクチュエータを設け、しかも使用者が両足を載置できるよう、大型のステップが必要となり、さらなる小型軽量化が困難であること。
(2)2輪走行が基本となっているために拡張性に乏しいこと。
(3)大きな段差や階段の昇降は、実質不可能で、特別な補助装置を付加する必要があること。
などの問題がある。
But on the other hand, with these systems,
(1) An actuator such as a drive motor is provided on each of the two wheels to realize traveling and steering, and a large step is required so that the user can place both feet, and further reduction in size and weight is difficult.
(2) Since it is based on two-wheel driving, it has poor expandability.
(3) It is impossible to raise and lower large steps and stairs, and it is necessary to add a special auxiliary device.
There are problems such as.
そこで、2輪ではなく1輪の乗用移動体がいくつか提案されている。
特許文献1、特許文献2では、ハンドル付きおよびハンドルなしの1輪乗用移動体の機構が、また、特許文献3では、複数の車輪が並列に接近して配置される形態のハンドル付き乗用移動体の機構が提案されている。
Accordingly, several passenger moving bodies with one wheel instead of two have been proposed.
In
特許文献1、2は1輪乗用移動体の機構の提案であるが、ロール方向の安定化手法については開示されておらず、乗車時、使用者は1輪の両側に設けられたステップ上に両足を載置しなければならないため、大きな段差や階段の昇降は実質不可能である。
特許文献3は、前後左右方向の安定化手法を提案しているものの、使用者は、やはり、1輪の両側に設けられたステップ上に両足を載置しなければならないため、大きな段差や階段の昇降は実質不可能であり、しかも、使用者の全体重移動に対し左右バランスを確保しなければならないため、左右方向の傾斜に対する許容範囲が限定されてしまうという実用上の問題がある。
そこで、本発明で提案する移動体は、乗用移動装置として、1つの駆動車輪を持つ移動体を独立したユニットとし、使用者の各足をそれぞれの移動体に載置することを基本とし、単体での乗車や段差踏破なども可能であると同時に、さまざまな形態による移動体を実現することを課題とする。
Although
Therefore, the mobile body proposed in the present invention is a passenger mobile device in which a mobile body having one drive wheel is an independent unit, and each user's foot is placed on each mobile body. It is an object to realize a moving body in various forms as well as boarding and stepping on the road.
そこで、上記の課題を解決するため、本発明の乗用移動体は、一対の片足載置型移動体を組み合わせた乗用移動装置であって、各移動体は、上面に片足が載置されるステップ、回転自在に支持された1輪の車輪、該車輪を駆動するモータ及び該モータを制御する制御装置を備えており、前記制御装置は、各移動体のピッチ方向の角度、角速度を検出するセンサの検出値及び車輪回転角速度センサの検出値に基づいて、ピッチ方向のバランスを取るとともに、移動体のピッチ角度に基づいて、各移動体の進行方向及び進行速度を決定する手段を備えている。
また、使用者の搭乗の有無、車輪の地面からの浮上等を検知するため、前記乗用移動体において、前記ステップ上、あるいはステップ下に、力センサを設けてもよい。
Therefore, in order to solve the above-described problems, the riding mobile body of the present invention is a riding mobile device that combines a pair of one-leg-mounted mobile bodies, each moving body having a step in which one leg is placed on the upper surface, A wheel that is rotatably supported, a motor that drives the wheel, and a control device that controls the motor are provided. The control device includes a sensor that detects an angle in the pitch direction and an angular velocity of each moving body. Means are provided for balancing the pitch direction based on the detected value and the detected value of the wheel rotation angular velocity sensor, and determining the traveling direction and traveling speed of each moving body based on the pitch angle of the moving body.
Moreover, in order to detect the presence or absence of a user's boarding, the floating of the wheel from the ground, etc., a force sensor may be provided on the step or the step in the riding mobile body.
また、前記乗用移動体において、前記ステップに、使用者の足あるいは靴を固定するための、つま先挿入部やベルト等を組み合わせてなる固定部を設けてもよい。 Further, in the riding moving body, a fixing portion formed by combining a toe insertion portion, a belt, or the like for fixing a user's foot or shoes may be provided in the step.
さらに、前記移動体の上面先端に、上端に使用者用グリップを備えたハンドルバーを着脱自在に取り付け可能の円筒部を設けてもよい。 Furthermore, a cylindrical portion to which a handle bar having a user grip at the upper end can be detachably attached may be provided at the upper end of the movable body.
前記使用者用グリップに、前記制御装置の電源オン・オフ及び制御モードを切り換えるコントローラを設けてもよい。 The user grip may be provided with a controller for switching power on / off and control mode of the control device.
前記制御装置に赤外線、電波等の無線による送受信機を設け、使用者の操作によるコントローラの動きにより、前記制御装置の電源オン・オフ及び制御モードを切り換えるようにしてもよい。 The control device may be provided with a wireless transmitter / receiver such as an infrared ray or a radio wave, and the control device may be turned on / off and controlled in accordance with the movement of the controller by a user's operation.
また、前記制御装置に赤外線、電波等の無線による送受信機を設け、一方の移動体が持ち上げられたとき、他方の移動体を静止あるいはロックするよう、他方の移動体の制御装置に制御信号を送るようにしてもよい。 In addition, a wireless transceiver such as an infrared ray or radio wave is provided in the control device, and when one moving body is lifted, a control signal is sent to the control device of the other moving body so that the other moving body is stationary or locked. You may make it send.
さらに、前記移動体の各中央側側面部に、ユニバーサルジョイントで結合された軸の両端部を回転自在かつ着脱自在に連結できるようにしてもよい。 Furthermore, you may enable it to connect the both ends of the axis | shaft couple | bonded with each center side surface part of the said mobile body by the universal joint so that rotation and attachment are possible.
本発明による一対の片足載置型移動体を組み合わせた乗用移動装置によれば、使用者が1対の移動体に各足を載置し、使用者自身が左右バランスを取ること前提し、各移動体の制御装置が移動体のピッチ角度、角速度、車輪の回転角速度に基づいて、モータトルクを演算することにより、小型軽量化、制御の簡略化、走行環境に応じて、柔軟に制御態様を設定することができ、例えば、特別の補助装置を設けることなく、大きな段差や階段の昇降を実現することができる。 According to the riding and moving apparatus combining a pair of one-leg-mounted moving bodies according to the present invention, it is assumed that the user places each foot on a pair of moving bodies and the user himself / herself balances left and right. The body control device calculates motor torque based on the pitch angle, angular velocity, and wheel rotation angular velocity of the moving body, so that the control mode can be flexibly set according to the size and weight, simplification of control, and the driving environment. For example, it is possible to realize a large step or up and down of a staircase without providing a special auxiliary device.
さらに、使用者が、例えば、ハンドルバーのグリップに取り付けたコントローラや、腕等に装着したジャイロ内蔵型赤外線式コントローラ等を用いて、制御装置の電源をオン・オフしたり、制御モードを切り換え、走行速度、操向、ブレーキなどを制御することができ、また、両移動体の制御装置を、赤外線や電波による送受信機を用いて接続し、双方の制御を様々な態様で連携させれば、様々な段差や障害物にも円滑かつ安全に走行することが可能になる。 Furthermore, the user can turn on / off the power of the control device or switch the control mode using, for example, a controller attached to the handlebar grip or a gyro built-in infrared controller attached to the arm, etc. It is possible to control traveling speed, steering, brakes, etc., and connect the control devices of both moving bodies using a transceiver with infrared rays or radio waves, and coordinate both controls in various ways, It is possible to travel smoothly and safely over various steps and obstacles.
図1は、本発明による片足載置型の移動体の一形態の全体図を示す。
移動体1の上面には、使用者の片足が載置されるステップ2が形成されており、このステップ2に、使用者の足、あるいは靴を固定するための、つま先挿入部やベルト等を組み合わせてなる固定部を設けてもよい。
FIG. 1 shows an overall view of an embodiment of a single-leg-mounted moving body according to the present invention.
移動体1の内部には、1輪の車輪3が、回転自在に支持されており、2個1組の移動体に各足を載置することにより、使用者自身が左右バランスを取ることにより自立させることを基本としている。
この実施例では、車輪3の両側に、補助用遊動輪4が、回転自在かつ高さ調整自在に取り付けられているが、これは、小児あるいは不慣れな者などが使用する際に、使用時、移動体1を安定させるために適宜装着されるものであり、走行時、使用者の左右への体重移動に伴い、ある程度左右に傾斜できるよう、サスペンション機構を設けてもよいし、テレビゲームなどにも使用されるジャイロ内蔵型無線式のコントローラ等の操作により、使用後安定してから電動アクチュエータにより補助用遊動輪4を退避させるような機構を設けてもよい。
A
In this embodiment, the
図2〜図4に、移動体1の内部構造を示す。
モータ5からの駆動力は、モータ出力軸歯車6、歯付きベルト7を介して、車輪3の車軸8に取り付けられた歯車6に伝達され、このモータ5は、移動体1の内部に設けられた制御装置9により、その回転方向及び回転速度が制御されるように構成されている。なお、歯付きベルト7に代え、複数の歯車を組み合わせて、モータ出力を伝達するようにしてもよい。また、車輪の中にモータを埋め込む形態のインホイールモータにしてもよい。
2 to 4 show the internal structure of the moving
The driving force from the
移動体1の内部には、充放電可能なバッテリ10a、10bが左右に配置されており、モータ5にモータドライバを介して電力を供給し、DC/DCコンバータ11を介して、制御装置9に電力を供給するとともに、移動体1の側面に設けられた充電用コネクタを介して、家庭用電源により充電できるようになっている。
Chargeable /
ステップ2の上面もしくは移動体1の内部には、使用者が片足を載置したことを検出する力センサ12を設置してもよい。
また、移動体1の内部には、ピッチ角(移動方向に対し前後方向の傾斜角度)速度センサであるレートジャイロ13、ピッチ角度センサである加速度計14及び車輪3の回転角速度を検出するロータリエンコーダ15等が設けられている。
A
In addition, a rotary encoder that detects a rotational angular velocity of a
図5に、レートジャイロ13及び加速度計14からの検出値に基づく、制御装置9のブロック図を示す。
使用者によるコントローラ指示や力センサ12により、使用者が片足をステップ2に載置したことが確認されると、制御装置9の電源がスタンバイから切り換えられ、モータドライバを介してモータ5の制御を開始する。
この制御装置9の基本は、レートジャイロ13、加速度計14及びロータリエンコーダ15に基づいて、ピッチ方向のバランスを取るとともに、移動体1の目標速度を演算して、走行速度を制御することである。
FIG. 5 shows a block diagram of the
When it is confirmed by the controller instruction or the
The basis of this
使用開始時は、両方の足を、対となる移動体1のそれぞれに順次載置することになるが、移動体のピッチ角度がほぼ水平になった段階でモータ5の制御が開始される。これは、使用者が前述の無線式コントローラを使用してコントールするようにしてもよいし、各移動体1が双方に赤外線等の信号をやりとりし、両方の移動体のピッチ角度がほぼ水平になった段階で、モータ5の制御を開始してもよい。
At the start of use, both feet are sequentially placed on each of the paired moving
移動体のモータ制御が開始されると、レートジャイロ13及び加速度計14は、直立時における使用者のわずかな前傾、後傾を検出して、前傾すれば、モータ5を制御して、車輪3をわずかに前方方向に加速させ、また、後傾すれば、車輪3をわずかに後方方向に加速させることにより、ステップ2を水平に維持する。さらに、この効果により、使用者が意図的に前傾、後傾することで、前進、後進を行う。
すなわち、図6に示すように、レートジャイロ13及び加速度計14により検出された移動体のピッチ方向の傾斜角度をθ1、レートジャイロ13により検出された移動体1の傾斜角速度をdθ1/dt、車輪回転角速度を検出するロータリエンコーダ15により検出された車輪回転角速度をdθ2/dt、必要なモータトルクをTとしたとき、
T=k1θ1+k2dθ1/dt+k3dθ2/dt (k1〜k3フィードバックゲイン)となるように、モータトルクを制御する。
なお、その際、移動体1は、微小な前後移動を繰り返すが、フィードバックゲインk1〜k3を適切に設定することで、前後方向の移動を数mm程度に抑制することが必要である。
When the motor control of the moving body is started, the rate gyro 13 and the
That is, as shown in FIG. 6, the inclination angle in the pitch direction of the moving body detected by the
The motor torque is controlled so that T = k 1 θ 1 + k 2 dθ 1 / dt + k 3 dθ 2 / dt (k 1 to k 3 feedback gain).
At that time, the moving
使用者が左に操向したい場合は、右足側移動体のステップ2上でつま先荷重を増大させれば、右足側移動体の速度が上昇し、スムースに左側に移動方向を変更することができる。なお、このとき、左足側移動体のステップ2上で身体を後傾させれば、左足側移動体を減速することができ、さらに急角度で操向することが可能になる。
右に操向したい場合は、逆に左足側のステップ上でつま先荷重を増大させればよい。
If the user wants to steer to the left, if the toe load is increased on
To steer to the right, on the contrary, the toe load may be increased on the step on the left foot side.
さて、以上により、使用者は、直立、静止、前進、ブレーキ、左右操向を自由に行うことができるが、図7に示されるように、移動体1の先端付近に設けた円筒状の装着部16に、グリップを上端に備えたハンドルバー17を取り付けると、さらに移動体1の安定化を図ることができ、段差や階段をスムースに昇降できるようになる。
As described above, the user can freely perform upright, stationary, forward, brake, and left-right steering, but as shown in FIG. 7, a cylindrical mounting provided near the tip of the moving
図7に段差を登る際のシーケンスを示す。
(1)使用者はまず、後傾姿勢を取るなどしてブレーキをかけた後、各移動体を階段の直前で静止させ、一度直立姿勢を取る。
(2)停止後、ハンドルバー17も使用して、一方の移動体を使用者の手足の力で持ち上げる。
(3)持ち上げられた移動体側の制御装置9は、力センサ12の検出荷重が急激に減少したことを検知し、車輪駆動用のモータ5を停止、あるいはロック状態にする。
(4)持ち上げた側の車輪3が段差上面に接地すると、制御装置9は、力センサ12の検出値に基づいて確実に着地が終了したことを判断し、安定化制御を再開する。
(5)次に、下側の移動体を使用者の手足の力で持ち上げる。
(6)同様に、踏面力センサ12の信号により、持ち上げた側の移動体の車輪駆動用モータ5が停止、あるいはロック状態になり、段差上面に車輪が接地したら安定化制御が再開される。
以上のシーケンスを繰り返すことにより、階段昇りを円滑に実現することが可能になる。
なお、上記の実施例では、ハンドルバー付きの場合を示したが、使用者の足あるいは靴を固定するための、つま先挿入部やベルト等を組み合わせてなる固定部を設けた場合は、ハンドルバーがなくても足を持ち上げることで、同様のシーケンスが実現できる。
FIG. 7 shows a sequence when climbing the step.
(1) The user first applies a brake by taking a backward tilting posture, etc., then stops each moving body immediately before the stairs and once takes an upright posture.
(2) After stopping, the
(3) The lifted
(4) When the
(5) Next, the lower movable body is lifted by the power of the user's limbs.
(6) Similarly, the
By repeating the above sequence, it is possible to smoothly ascend the stairs.
In the above embodiment, a case with a handle bar is shown. However, when a fixing part that combines a toe insertion part or a belt for fixing a user's foot or shoes is provided, the handle bar is provided. The same sequence can be realized by lifting the foot even if there is no.
なお、上記の実施例では、階段等を昇降する際に、図8に示されるように、両片足載置型移動体の移動体1のつま先側に、移動体1を所定角度以上前傾させたときに床面に接するストッパ18を設け、階段昇降時にロックさせるようにしてもよい。この場合、制御装置9が、ピッチ角センサ13の検出角度が所定角度以上になったことを検知して、ピッチ角度制御及び速度制御を停止して、ストッパ17によるロックが確実維持されるようにすることが好ましい。
In the above embodiment, when moving up and down stairs or the like, as shown in FIG. 8, the moving
さらに、移動体の前端面に、障害物との接触を検知するセンサを設け、着足側の移動体1が段差面に接触したのを検知して、移動体をロックするようにしてもよい。
Further, a sensor for detecting contact with an obstacle may be provided on the front end surface of the moving body, and the moving
以上のように、本発明は、使用者が1対の移動体に各足を載置し、使用者自身が左右バランスを取ることを前提し、各移動体の制御装置により、移動体のピッチ角度、角速度、車輪回転角速度に基づいて、ピッチ方向のバランスを取り、かつ走行制御を行うことにより、小型軽量化、制御の簡略化、走行環境に応じて、柔軟に制御態様を設定することができ、特別の補助装置を設けることなく、大きな段差や階段の昇降を実現することができる。 As described above, the present invention is based on the assumption that the user places each foot on a pair of moving bodies and the user himself / herself balances left and right. By controlling the pitch direction based on the angle, angular velocity, and wheel rotation angular velocity, and performing running control, it is possible to flexibly set the control mode according to the reduction in size and weight, simplification of control, and running environment. It is possible to realize a large step and up and down stairs without providing a special auxiliary device.
例えば、使用者が、例えば、ハンドルバー17のグリップに取り付けたコントローラ等を用いて、制御装置9の電源をオン・オフしたり、制御モードを切り換え、走行速度、操向、ブレーキなどを制御したり、自己の運動能力に応じて、フィードバックゲインを調整できるようにしてもよいし、また、両移動体の制御装置に、赤外線、無線等による送受信機を設けて両者を接続し、双方の制御を様々な態様で連携させれば、様々な段差や障害物にも円滑かつ安全に走行することが可能になる。
For example, the user uses a controller or the like attached to the grip of the
なお、本発明の移動体は、車輪3のタイヤ幅を広めにしたり、補助用遊動輪4を使用することにより、遊動運動能力の優れた者であれば、車1個の移動体のみを使用して、走行を楽しむこともできる。
逆に、初心者用向けに、ユニバーサルジョイントで結合された軸の両端部を、左右の移動体の中央側側面部に、回転自在かつ着脱自在に連結することにより、両移動体が常に所定間隔を維持するようにすることもでき、簡単かつ安全に走行を楽しむことができる。
Note that the moving body of the present invention uses only one moving body of a vehicle if the person has excellent idle movement ability by widening the tire width of the
Conversely, for beginners, both ends of the shaft connected by the universal joint are connected to the central side surfaces of the left and right moving bodies in a rotatable and detachable manner so that both moving bodies always have a predetermined interval. It can also be maintained, and you can enjoy traveling easily and safely.
本発明の移動体によれば、スポーツや娯楽として使用することはもとより、特に、歩行が困難な高齢者、障害者であっても、直立さえ可能であれば、各移動体に段差乗り越えを補助する油圧式昇降機を、グリップに設けた操作装置で操作する等の補助装置を設けることにより、自由な歩行を楽しむことができる。 According to the mobile body of the present invention, it is not only used for sports and entertainment, but also assists the mobile body to get over steps as long as it is possible to stand up even if it is an elderly person or a disabled person who is difficult to walk. By providing an auxiliary device such as operating the hydraulic elevator to be operated with an operation device provided on the grip, it is possible to enjoy free walking.
1 移動体
2 ステップ
3 車輪
4 補助用遊動輪
5 モータ
6 歯車
7 歯付ベルト
8 車輪軸
9 制御装置
10a、10b バッテリ
11 DC/DCコンバータ
12 力センサ
13 レートジャイロ
14 加速度計
15 ロータリエンコーダ
16 円筒状の装着部
17 ハンドルバー
18 ストッパ
DESCRIPTION OF
Claims (8)
各移動体は、上面に片足が載置されるステップ、回転自在に支持された1輪の車輪、該車輪を駆動するモータ及び該モータを制御する制御装置を備えており、
前記制御装置は、各移動体のピッチ方向の角度、角速度を検出するセンサの検出値及び車輪回転角速度を検出するセンサの検出値に基づいて、ピッチ方向のバランスを取るとともに、
各移動体のピッチ角度に基づいて、各移動体の進行方向及び進行速度を制御する手段を備えたことを特徴とする乗用移動装置。 A riding movement device that combines a pair of one-leg-mounted moving bodies,
Each moving body includes a step in which one foot is placed on the upper surface, a wheel that is rotatably supported, a motor that drives the wheel, and a control device that controls the motor.
The control device balances the pitch direction based on the angle in the pitch direction of each moving body, the detection value of the sensor that detects the angular velocity, and the detection value of the sensor that detects the wheel rotation angular velocity,
A riding movement apparatus comprising means for controlling a traveling direction and a traveling speed of each moving body based on a pitch angle of each moving body.
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