JP2011062474A - Walking assisting system - Google Patents

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Toru Takenaka
透 竹中
Yosuke Endo
洋介 遠藤
Hiroshi Gomi
洋 五味
Taiji Koyama
泰司 小山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a walking assisting system enhancing walking stability of a mounting person to assist his/her walking. <P>SOLUTION: Vehicles 1a and 1b, each of which is equipped with: a wheel body movable on a traveling surface; an actuator device 7 for producing drive force for driving the wheel body; and a base body having the wheel body and the actuator device 7 attached thereto, are locked to a waist part of the mounting person by a belt 58. A six-axial force sensor 57 detects the force added to the vehicles 1a and 1b, and an inclination sensor 52 and open angle sensors 59a and 59b detect the angle related to postures of the vehicles 1a and 1b. A control unit 50 controls the actuator device 7 on the basis of the force detected by the six-axial force sensor 57 and the angles detected by the inclination sensor 52 and the open angle sensors 59a and 59b. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、歩行者の歩行を補助する歩行補助システムに関する。   The present invention relates to a walking assistance system that assists walking of a pedestrian.

床面上を全方向(2次元的な全方向)に移動可能な全方向移動車両としては、例えば、特許文献1、2に見られるものが本願出願人により提案されている。これらの特許文献1、2に見られる全方向移動車両にあっては、床面に接地しながら該床面上を全方向に移動可能な、球体状又は車輪状又はクローラ状の移動動作部と、該移動動作部を駆動する電動モータ等を有するアクチュエータ装置とが車両の基体に組付けられている。そして、この車両は、アクチュエータ装置により移動動作部を駆動することによって、床面上を移動する。   As the omnidirectional vehicle that can move in all directions (two-dimensional omnidirectional) on the floor surface, for example, those shown in Patent Documents 1 and 2 have been proposed by the present applicant. In the omnidirectional mobile vehicle found in these Patent Documents 1 and 2, a spherical or wheel-like or crawler-like moving operation unit capable of moving in all directions on the floor surface while being in contact with the floor surface; An actuator device having an electric motor or the like for driving the moving operation unit is assembled to a vehicle body. And this vehicle moves on a floor surface by driving a movement operation part with an actuator device.

また、この種の全方向移動車両の移動動作を制御する技術としては、例えば特許文献3に見られる技術が本願出願人により提案されている。この技術では、車両の基体が球体状の移動動作部に対して前後・左右に傾動自在に設けられている。そして、基体の傾き角を計測し、この傾き角を所要の角度に保つように、移動動作部を駆動する電動モータのトルクを制御することによって、基体の傾動動作に応じて車両を移動させるようにしている。   Further, as a technique for controlling the moving operation of this type of omnidirectional vehicle, for example, a technique found in Patent Document 3 has been proposed by the present applicant. In this technique, a vehicle base is provided so as to be tiltable in the front-rear and left-right directions with respect to a spherical moving operation unit. Then, the vehicle is moved according to the tilting motion of the base by measuring the tilt angle of the base and controlling the torque of the electric motor that drives the moving operation unit so as to keep the tilt angle at a required angle. I have to.

国際公開第08/132778号パンフレットInternational Publication No. 08/132778 Pamphlet 国際公開第08/132779号パンフレットInternational Publication No. 08/1327979 Pamphlet 特許第3070015号公報Japanese Patent No. 3070015

ところで、バランス能力の低い人が歩行する場合、その人が歩行中に転倒する可能性がある。また、極端に体力が劣っている人が歩行する場合、その人にとって歩行が過負荷になる可能性がある。このような問題を解決するため、上記の全方向移動車両を歩行の補助に使用することが考えられるが、全方向移動車両に対して何の制御も行わなければ、歩行を安定させることができない。   By the way, when a person with low balance ability walks, the person may fall while walking. In addition, when a person who is extremely inferior in physical strength walks, walking may be overloaded for the person. In order to solve such a problem, it is conceivable to use the omnidirectional vehicle described above to assist walking. However, if no control is performed on the omnidirectional vehicle, walking cannot be stabilized. .

本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、例えば全方向移動体のような移動体を用いることにより装着者の歩行安定性を向上し、歩行を補助することができる歩行補助システムを提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and the object thereof is to improve walking stability of the wearer and assist walking by using a moving body such as an omnidirectional moving body. It is to provide a walking assistance system.

上記問題を解決するために、請求項1に記載した発明は、走行面(床面、路面、地面など)を移動可能な被駆動機構(例えば、車輪体5)と、前記被駆動機構を駆動する駆動力を発生させる駆動部(例えば、アクチュエータ装置7)と、前記被駆動機構および前記駆動部が組み付けられた基体(例えば、基体9)と、を有する倒立振子制御型の移動体(例えば、全方向移動車両1,1a,1b)を装着者の腰部に少なくとも2台以上係止することができる係止具(例えば、ベルト58)と、前記倒立振子制御型の移動体に加わる力を検出する力センサ(例えば、6軸力センサ57)と、前記倒立振子制御型の移動体の姿勢に係る角度を検出する角度センサ(例えば、傾斜センサ52、開き角度センサ59a,59b)と、前記係止具に係止された少なくとも2台以上の前記倒立振子制御型の移動体と、前記力センサにより検出した力及び前記角度センサにより検出した角度に基づいて前記駆動部を制御する制御装置(例えば、制御ユニット50)と、を備えた歩行補助システムである。これにより、力センサにより検出した力及び角度センサにより検出した角度に基づいて、装着者の歩行が安定するように駆動部を制御することができる。   In order to solve the above-described problem, the invention described in claim 1 drives a driven mechanism (for example, a wheel body 5) that can move a traveling surface (floor surface, road surface, ground, etc.) and the driven mechanism. An inverted pendulum control type moving body (e.g., a base body (e.g., base body 9) on which the driven mechanism and the drive unit are assembled) Detecting force applied to the movable body of the inverted pendulum control type and a locking tool (for example, belt 58) capable of locking at least two or more omnidirectional vehicles 1, 1a, 1b) to the wearer's waist. A force sensor (for example, a six-axis force sensor 57), an angle sensor (for example, an inclination sensor 52, opening angle sensors 59a and 59b) for detecting an angle related to the posture of the inverted pendulum control type moving body, Locked to the fastener And at least two or more of the inverted pendulum control type moving bodies, and a control device (for example, control unit 50) that controls the drive unit based on the force detected by the force sensor and the angle detected by the angle sensor; , A walking assist system. Thereby, based on the force detected by the force sensor and the angle detected by the angle sensor, the drive unit can be controlled so that the wearer's walk is stabilized.

請求項2に記載した発明において、前記制御装置は、水平方向に対する前記倒立振子制御型の移動体間の開き角度を前記角度センサにより検出し、前記開き角度が一定に収束するように前記駆動部を制御する。これにより、開き角度を一定に収束させることができる。   3. The control device according to claim 2, wherein the control unit detects an opening angle between the inverted pendulum control type moving bodies with respect to a horizontal direction by the angle sensor, and the driving unit is configured to converge the opening angle uniformly. To control. Thereby, an opening angle can be made to converge uniformly.

請求項3に記載した発明において、前記制御装置は、第1の時点及び第2の時点において、鉛直方向に対する前記倒立振子制御型の移動体の傾き角度を前記角度センサにより検出し、前記第2の時点で検出した前記傾き角度が、前記第1の時点で検出した前記傾き角度に収束するように前記駆動部を制御する。これにより、傾き角度を所望の時点での傾き角度に収束させることができる。   In the invention described in claim 3, the control device detects an inclination angle of the inverted pendulum control type moving body with respect to a vertical direction by the angle sensor at the first time point and the second time point, and the second time point. The drive unit is controlled so that the tilt angle detected at the time point converges to the tilt angle detected at the first time point. Thereby, the tilt angle can be converged to the tilt angle at a desired time.

請求項4に記載した発明において、前記制御装置は、前記力センサにより検出した力の周波数成分に応じて前記駆動部を制御する。これにより、力の周波数成分に応じて歩行速度を制御することができる。   According to a fourth aspect of the present invention, the control device controls the drive unit according to a frequency component of force detected by the force sensor. Thereby, walking speed can be controlled according to the frequency component of force.

請求項1に記載した発明によれば、力センサにより検出した力及び角度センサにより検出した角度に基づいて駆動部を制御することにより、装着者の歩行が安定するように駆動部を制御することができるので、装着者の歩行安定性を向上し、歩行を補助することができる。   According to the first aspect of the present invention, by controlling the drive unit based on the force detected by the force sensor and the angle detected by the angle sensor, the drive unit is controlled so that the wearer's walk is stabilized. Therefore, the walking stability of the wearer can be improved and walking can be assisted.

請求項2に記載した発明によれば、開き角度が一定に収束するように駆動部を制御することにより、装着者が任意の方向に移動した場合でも、装着者と倒立振子制御型の移動体との位置関係を一定に保つことができる。   According to the second aspect of the present invention, even when the wearer moves in an arbitrary direction by controlling the drive unit so that the opening angle converges uniformly, the wearer and the inverted pendulum control type moving body The positional relationship with can be kept constant.

請求項3に記載した発明によれば、傾き角度が所望の時点での傾き角度に収束するように駆動部を制御することにより、装着者の歩行安定性をさらに向上することができる。   According to the third aspect of the present invention, the walking stability of the wearer can be further improved by controlling the drive unit so that the inclination angle converges to the inclination angle at a desired time.

請求項4に記載した発明によれば、力の周波数成分に応じて駆動部を制御することにより、装着者の歩行安定性をさらに向上することができる。   According to the fourth aspect of the present invention, the walking stability of the wearer can be further improved by controlling the drive unit according to the frequency component of the force.

実施形態の全方向移動車両の正面図。The front view of the omnidirectional vehicle of embodiment. 実施形態の全方向移動車両の側面図。The side view of the omnidirectional vehicle of embodiment. 実施形態の全方向移動車両の下部を拡大して示す図。The figure which expands and shows the lower part of the omnidirectional vehicle of embodiment. 実施形態の全方向移動車両の下部の斜視図。The perspective view of the lower part of the omnidirectional mobile vehicle of embodiment. 実施形態の全方向移動車両の移動動作部(車輪体)の斜視図。The perspective view of the movement operation part (wheel body) of the omnidirectional vehicle of embodiment. 実施形態の全方向移動車両の移動動作部(車輪体)とフリーローラとの配置関係を示す図。The figure which shows the arrangement | positioning relationship between the movement operation | movement part (wheel body) and free roller of the omnidirectional vehicle of embodiment. 実施形態の全方向移動車両の動力学的挙動を表現する倒立振子モデルを示す図。The figure which shows the inverted pendulum model expressing the dynamic behavior of the omnidirectional vehicle of embodiment. 実施形態の歩行補助システムの側面図。The side view of the walk assistance system of an embodiment. 実施形態の歩行補助システムの平面図。The top view of the walk assistance system of an embodiment. 実施形態の歩行補助システムの機能構成を示すブロック図。The block diagram which shows the function structure of the walking assistance system of embodiment. 実施形態の全方向移動車両の制御ユニットの処理を示すフローチャート。The flowchart which shows the process of the control unit of the omnidirectional vehicle of embodiment. 図11のステップS160の処理に係わる処理機能を示すブロック図。FIG. 12 is a block diagram showing processing functions related to the processing in step S160 in FIG.

以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。まず、図1〜図6を参照して、本実施形態による歩行補助システムに使用する全方向移動車両の構造を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, with reference to FIGS. 1-6, the structure of the omnidirectional vehicle used for the walking assistance system by this embodiment is demonstrated.

図1及び図2に示すように、本実施形態における全方向移動車両(以下、車両と記す)1は、乗員(運転者)の搭乗部3と、床面に接地しながら該床面上を全方向(前後方向及び左右方向を含む2次元的な全方向)に移動可能な移動動作部5と、この移動動作部5を駆動する動力を該移動動作部5に付与するアクチュエータ装置7と、これらの搭乗部3、移動動作部5及びアクチュエータ装置7が組付けられた基体9とを備える。   As shown in FIGS. 1 and 2, an omnidirectional vehicle (hereinafter referred to as a vehicle) 1 in the present embodiment is placed on the floor surface of the occupant (driver) and the riding section 3 while being in contact with the floor surface. A moving operation unit 5 that can move in all directions (two-dimensional all directions including the front-rear direction and the left-right direction), and an actuator device 7 that applies power for driving the moving operation unit 5 to the moving operation unit 5; The boarding unit 3, the moving operation unit 5, and the base 9 on which the actuator device 7 is assembled are provided.

ここで、本実施形態の説明では、「前後方向」、「左右方向」は、それぞれ、搭乗部3に標準的な姿勢で搭乗した乗員の上体の前後方向、左右方向に一致もしくはほぼ一致する方向を意味する。なお、「標準的な姿勢」は、搭乗部3に関して設計的に想定されている姿勢であり、乗員の上体の体幹軸を概ね上下方向に向け、且つ、上体を捻ったりしていない姿勢である。   Here, in the description of the present embodiment, “front-rear direction” and “left-right direction” respectively match or substantially coincide with the front-rear direction and the left-right direction of the upper body of the occupant who has boarded the riding section 3 in a standard posture. Means direction. Note that the “standard posture” is a posture assumed by design with respect to the riding section 3, and the trunk axis of the occupant's upper body is generally directed vertically and the upper body is not twisted. It is posture.

この場合、図1においては、「前後方向」、「左右方向」はそれぞれ、紙面に垂直な方向、紙面の左右方向であり、図2においては、「前後方向」、「左右方向」はそれぞれ、紙面の左右方向、紙面に垂直な方向である。また、本実施形態の説明では、参照符号に付する添え字「R」,「L」は、それぞれ車両1の右側、左側に対応するものという意味で使用する。   In this case, in FIG. 1, the “front-rear direction” and the “left-right direction” are the direction perpendicular to the paper surface and the left-right direction of the paper surface, respectively. In FIG. It is the left-right direction of the paper surface and the direction perpendicular to the paper surface. In the description of the present embodiment, the suffixes “R” and “L” attached to the reference numerals are used to mean the right side and the left side of the vehicle 1, respectively.

基体9は、移動動作部5及びアクチュエータ装置7とが組付けられた下部フレーム11と、この下部フレーム11の上端から上方に延設された支柱フレーム13とを備える。支柱フレーム13の上部には、該支柱フレーム13から前方側に張り出したシートフレーム15が固定されている。そして、このシートフレーム15上に、乗員が着座するシート3が装着されている。本実施形態では、このシート3が乗員の搭乗部となっている。従って、本実施形態における全方向移動車両1(以降、単に車両1という)は、乗員がシート3に着座した状態で、床面上を移動するものである。また、シート3の左右には、シート3に着座した乗員が必要に応じて把持するためのグリップ17R,17Lが配置され、これらのグリップ17R,17Lがそれぞれ、支柱フレーム13(又はシートフレーム15)から延設されたブラケット19R,19Lの先端部に固定されている。   The base 9 includes a lower frame 11 in which the moving operation unit 5 and the actuator device 7 are assembled, and a support frame 13 extending upward from the upper end of the lower frame 11. A seat frame 15 projecting forward from the column frame 13 is fixed to the upper portion of the column frame 13. A seat 3 on which an occupant sits is mounted on the seat frame 15. In this embodiment, this seat 3 is a passenger's boarding part. Therefore, the omnidirectional vehicle 1 (hereinafter simply referred to as the vehicle 1) in the present embodiment moves on the floor surface while the occupant is seated on the seat 3. Further, on the left and right sides of the seat 3, grips 17R and 17L are disposed for the passengers seated on the seat 3 to grip as necessary. These grips 17R and 17L are respectively provided to the support frame 13 (or the seat frame 15). It is being fixed to the front-end | tip part of bracket 19R, 19L extended from.

下部フレーム11は、左右方向に間隔を存して二股状に対向するように配置された一対のカバー部材21R,21Lを備える。これらのカバー部材21R,21Lの上端部(二股の分岐部分)は、前後方向の軸心を有するヒンジ軸23を介して連結され、カバー部材21R,21Lの一方が他方に対して相対的にヒンジ軸23の周りに揺動可能となっている。この場合、カバー部材21R,21Lは、図示を省略するバネによって、カバー部材21R,21Lの下端部側(二股の先端側)が狭まる方向に付勢されている。また、カバー部材21R,21Lのそれぞれの外面部には、前記シート3に着座した乗員の右足を載せるステップ25Rと左足を載せるステップ25Lとが各々、右向き、左向きに張り出すように突設されている。   The lower frame 11 includes a pair of cover members 21R and 21L arranged so as to face each other in a bifurcated manner with a space in the left-right direction. The upper end portions (bifurcated branch portions) of these cover members 21R and 21L are connected via a hinge shaft 23 having a longitudinal axis, and one of the cover members 21R and 21L is hinged relative to the other. It can swing around the shaft 23. In this case, the cover members 21R and 21L are urged by a spring (not shown) in a direction in which the lower end side (the bifurcated tip side) of the cover members 21R and 21L is narrowed. Further, on each outer surface portion of the cover members 21R and 21L, a step 25R for placing the right foot of the occupant seated on the seat 3 and a step 25L for placing the left foot are respectively projected so as to protrude rightward and leftward. Yes.

移動動作部5及びアクチュエータ装置7は、下部フレーム11のカバー部材21R,21Lの間に配置されている。これらの移動動作部5及びアクチュエータ装置7の構造を図3〜図6を参照して説明する。なお、本実施形態で例示する移動動作部5及びアクチュエータ装置7は、例えば前記特許文献2の図1に開示されているものと同じ構造のものである。従って、本実施形態の説明においては、移動動作部5及びアクチュエータ装置7の構成に関して、前記特許文献2に記載された事項については、簡略的な説明に留める。   The moving operation unit 5 and the actuator device 7 are disposed between the cover members 21R and 21L of the lower frame 11. The structures of the moving operation unit 5 and the actuator device 7 will be described with reference to FIGS. The moving operation unit 5 and the actuator device 7 exemplified in the present embodiment have the same structure as that disclosed in FIG. Therefore, in the description of the present embodiment, the matters described in Patent Document 2 regarding the configurations of the moving operation unit 5 and the actuator device 7 are simply described.

本実施形態では、移動動作部5は、ゴム状弾性材により円環状に形成された車輪体であり、ほぼ円形の横断面形状を有する。この移動動作部5(以降、車輪体5という)は、その弾性変形によって、図5及び図6の矢印Y1で示す如く、円形の横断面の中心C1(より詳しくは、円形の横断面中心C1を通って、車輪体5の軸心と同心となる円周線)の周りに回転可能となっている。   In the present embodiment, the moving operation unit 5 is a wheel body formed in an annular shape from a rubber-like elastic material, and has a substantially circular cross-sectional shape. Due to its elastic deformation, the moving operation unit 5 (hereinafter referred to as the wheel body 5) has a circular cross section center C1 (more specifically, a circular cross section center C1 as shown by an arrow Y1 in FIGS. 5 and 6). And can be rotated around a circumferential line that is concentric with the axis of the wheel body 5.

この車輪体5は、その軸心C2(車輪体5全体の直径方向に直交する軸心C2)を左右方向に向けた状態で、カバー部材21R,21Lの間に配置され、該車輪体5の外周面の下端部にて床面に接地する。   The wheel body 5 is disposed between the cover members 21R and 21L with its axis C2 (axis C2 orthogonal to the diameter direction of the entire wheel body 5) directed in the left-right direction. Ground to the floor at the lower end of the outer peripheral surface.

そして、車輪体5は、アクチュエータ装置7による駆動(詳細は後述する)によって、図5の矢印Y2で示す如く車輪体5の軸心C2の周りに回転する動作(床面上を輪転する動作)と、車輪体5の横断面中心C1の周りに回転する動作とを行うことが可能である。その結果、車輪体5は、それらの回転動作の複合動作によって、床面上を全方向に移動することが可能となっている。   The wheel body 5 rotates around the axis C2 of the wheel body 5 as shown by an arrow Y2 in FIG. 5 (operation to rotate on the floor surface) by driving by the actuator device 7 (details will be described later). And an operation of rotating around the cross-sectional center C1 of the wheel body 5 can be performed. As a result, the wheel body 5 can move in all directions on the floor surface by a combined operation of these rotational operations.

アクチュエータ装置7は、車輪体5と右側のカバー部材21Rとの間に介装される回転部材27R及びフリーローラ29Rと、車輪体5と左側のカバー部材17Lとの間に介装される回転部材27L及びフリーローラ29Lと、回転部材27R及びフリーローラ29Rの上方に配置されたアクチュエータとしての電動モータ31Rと、回転部材27L及びフリーローラ29Lの上方に配置されたアクチュエータとしての電動モータ31Lとを備える。   The actuator device 7 includes a rotating member 27R and a free roller 29R interposed between the wheel body 5 and the right cover member 21R, and a rotating member interposed between the wheel body 5 and the left cover member 17L. 27L and a free roller 29L, an electric motor 31R as an actuator disposed above the rotating member 27R and the free roller 29R, and an electric motor 31L as an actuator disposed above the rotating member 27L and the free roller 29L. .

電動モータ31R,31Lは、それぞれのハウジングがカバー部材21R,21Lに各々取付けられている。なお、図示は省略するが、電動モータ31R,31Lの電源(蓄電器)は、支柱フレーム13等、基体9の適所に搭載されている。   The electric motors 31R and 31L have their respective housings attached to the cover members 21R and 21L. Although illustration is omitted, the power sources (capacitors) of the electric motors 31 </ b> R and 31 </ b> L are mounted at appropriate positions on the base 9 such as the support frame 13.

回転部材27Rは、左右方向の軸心を有する支軸33Rを介してカバー部材21Rに回転可能に支持されている。同様に、回転部材27Lは、左右方向の軸心を有する支軸33Lを介してカバー部材21Lに回転可能に支持されている。この場合、回転部材27Rの回転軸心(支軸33Rの軸心)と、回転部材27Lの回転軸心(支軸33Lの軸心)とは同軸心である。   The rotating member 27R is rotatably supported by the cover member 21R via a support shaft 33R having a horizontal axis. Similarly, the rotation member 27L is rotatably supported by the cover member 21L via a support shaft 33L having a horizontal axis. In this case, the rotation axis of the rotation member 27R (axis of the support shaft 33R) and the rotation axis of the rotation member 27L (axis of the support shaft 33L) are coaxial.

回転部材27R,27Lは、それぞれ電動モータ31R,31Lの出力軸に、減速機としての機能を含む動力伝達機構を介して接続されており、電動モータ31R,31Lからそれぞれ伝達される動力(トルク)によって回転駆動される。各動力伝達機構は、例えばプーリ・ベルト式のものである。すなわち、図3に示す如く、回転部材27Rは、プーリ35Rとベルト37Rとを介して電動モータ31Rの出力軸に接続されている。同様に、回転部材27Lは、プーリ35Lとベルト37Lとを介して電動モータ31Lの出力軸に接続されている。   The rotating members 27R and 27L are connected to the output shafts of the electric motors 31R and 31L via power transmission mechanisms including functions as speed reducers, respectively, and the power (torque) transmitted from the electric motors 31R and 31L, respectively. It is rotationally driven by. Each power transmission mechanism is of a pulley-belt type, for example. That is, as shown in FIG. 3, the rotating member 27R is connected to the output shaft of the electric motor 31R via the pulley 35R and the belt 37R. Similarly, the rotating member 27L is connected to the output shaft of the electric motor 31L via a pulley 35L and a belt 37L.

なお、上記動力伝達機構は、例えば、スプロケットとリンクチェーンとにより構成されるもの、あるいは、複数のギヤにより構成されるものであってもよい。また、例えば、電動モータ31R,31Lを、それぞれの出力軸が各回転部材27R,27Lと同軸心になるように各回転部材27R,27Lに対向させて配置し、電動モータ31R,31Lのそれぞれの出力軸を回転部材27R,27Lに各々、減速機(遊星歯車装置等)を介して連結するようにしてもよい。   The power transmission mechanism may be constituted by, for example, a sprocket and a link chain, or may be constituted by a plurality of gears. In addition, for example, the electric motors 31R and 31L are arranged to face the rotating members 27R and 27L so that the respective output shafts are coaxial with the rotating members 27R and 27L, and the electric motors 31R and 31L are respectively arranged. The output shaft may be connected to each of the rotating members 27R and 27L via a speed reducer (such as a planetary gear device).

各回転部材27R,27Lは、車輪体5側に向かって縮径する円錐台と同様の形状に形成されており、その外周面がテーパ外周面39R,39Lとなっている。回転部材27Rのテーパ外周面39Rの周囲には、回転部材27Rと同心の円周上に等間隔で並ぶようにして、複数のフリーローラ29Rが配列されている。そして、これらのフリーローラ29Rは、それぞれ、ブラケット41Rを介してテーパ外周面39Rに取付けられ、該ブラケット41Rに回転自在に支承されている。   Each rotating member 27R, 27L is formed in the same shape as a truncated cone that decreases in diameter toward the wheel body 5, and its outer peripheral surface is a tapered outer peripheral surface 39R, 39L. A plurality of free rollers 29R are arranged around the tapered outer peripheral surface 39R of the rotating member 27R so as to be arranged at equal intervals on a circumference concentric with the rotating member 27R. Each of these free rollers 29R is attached to the tapered outer peripheral surface 39R via a bracket 41R and is rotatably supported by the bracket 41R.

同様に、回転部材27Lのテーパ外周面39Lの周囲には、回転部材27Lと同心の円周上に等間隔で並ぶようにして、複数(フリーローラ29Rと同数)のフリーローラ29Lが配列されている。そして、これらのフリーローラ29Lは、それぞれ、ブラケット41Lを介してテーパ外周面39Lに取付けられ、該ブラケット41Lに回転自在に支承されている。   Similarly, a plurality (the same number as the free rollers 29R) of free rollers 29L are arranged around the tapered outer peripheral surface 39L of the rotating member 27L so as to be arranged at equal intervals on a circumference concentric with the rotating member 27L. Yes. Each of these free rollers 29L is attached to the tapered outer peripheral surface 39L via a bracket 41L and is rotatably supported by the bracket 41L.

前記車輪体5は、回転部材27R側のフリーローラ29Rと、回転部材27L側のフリーローラ29Lとの間に挟まれるようにして、回転部材27R,27Lと同軸心に配置されている。この場合、図1及び図6に示すように、各フリーローラ29R,29Lは、その軸心C3が車輪体5の軸心C2に対して傾斜すると共に、車輪体5の直径方向(車輪体5をその軸心C2の方向で見たときに、該軸心C2と各フリーローラ29R,29Lとを結ぶ径方向)に対して傾斜する姿勢で配置されている。そして、このような姿勢で、各フリーローラ29R,29Lのそれぞれの外周面が車輪体5の内周面に斜め方向に圧接されている。   The wheel body 5 is disposed coaxially with the rotating members 27R and 27L so as to be sandwiched between the free roller 29R on the rotating member 27R side and the free roller 29L on the rotating member 27L side. In this case, as shown in FIGS. 1 and 6, each of the free rollers 29 </ b> R and 29 </ b> L has the axis C <b> 3 inclined with respect to the axis C <b> 2 of the wheel body 5 and the diameter direction of the wheel body 5 (the wheel body 5. When viewed in the direction of the axis C2, it is arranged in a posture inclined with respect to the radial direction connecting the axis C2 and the free rollers 29R and 29L. In such a posture, the outer peripheral surfaces of the free rollers 29R and 29L are in pressure contact with the inner peripheral surface of the wheel body 5 in an oblique direction.

より一般的に言えば、右側のフリーローラ29Rは、回転部材27Rが軸心C2の周りに回転駆動されたときに、車輪体5との接触面で、軸心C2周りの方向の摩擦力成分(車輪体5の内周の接線方向の摩擦力成分)と、車輪体5の前記横断面中心C1の周り方向の摩擦力成分(円形の横断面の接線方向の摩擦力成分)とを車輪体5に作用させ得るような姿勢で、車輪体5の内周面に圧接されている。左側のフリーローラ29Lについても同様である。   More generally speaking, the free roller 29R on the right side has a frictional force component in the direction around the axis C2 at the contact surface with the wheel body 5 when the rotating member 27R is driven to rotate around the axis C2. (The frictional force component in the tangential direction of the inner periphery of the wheel body 5) and the frictional force component in the direction around the cross-sectional center C1 of the wheel body 5 (the tangential frictional force component in the circular cross section) The wheel body 5 is pressed against the inner peripheral surface in such a posture that it can act on the wheel body 5. The same applies to the left free roller 29L.

この場合、前記したように、カバー部材21R,21Lは、図示しないバネによって、カバー部材21R,21Lの下端部側(二股の先端側)が狭まる方向に付勢されている。このため、この付勢力によって、右側のフリーローラ29Rと左側のフリーローラ29Lとの間に車輪体5が挟持されると共に、車輪体5に対する各フリーローラ29R,29Lの圧接状態(より詳しくはフリーローラ29R,29Lと車輪体5との間で摩擦力が作用し得る圧接状態)が維持される。   In this case, as described above, the cover members 21R and 21L are urged in a direction in which the lower end side (the bifurcated tip side) of the cover members 21R and 21L is narrowed by a spring (not shown). Therefore, the wheel body 5 is sandwiched between the right free roller 29R and the left free roller 29L by this urging force, and the free rollers 29R and 29L are in pressure contact with the wheel body 5 (more specifically, free The pressure contact state in which a frictional force can act between the rollers 29R and 29L and the wheel body 5 is maintained.

以上説明した構造を有する車両1においては、電動モータ31R,31Lによりそれぞれ、回転部材27R,27Lを同方向に等速度で回転駆動した場合には、車輪体5が回転部材27R,27Lと同方向に軸心C2の周りに回転することとなる。これにより、車輪体5が床面上を前後方向に輪転して、車両1の全体が前後方向に移動することとなる。なお、この場合は、車輪体5は、その横断面中心C1の周りには回転しない。   In the vehicle 1 having the structure described above, when the rotating members 27R and 27L are driven to rotate at the same speed in the same direction by the electric motors 31R and 31L, the wheel body 5 has the same direction as the rotating members 27R and 27L. Will rotate around the axis C2. Thereby, the wheel body 5 rotates on the floor surface in the front-rear direction, and the entire vehicle 1 moves in the front-rear direction. In this case, the wheel body 5 does not rotate around the center C1 of the cross section.

また、例えば、回転部材27R,27Lを互いに逆方向に同じ大きさの速度で回転駆動した場合には、車輪体5は、その横断面中心C1の周りに回転することとなる。これにより、車輪体5がその軸心C2の方向(すなわち左右方向)に移動し、ひいては、車両1の全体が左右方向に移動することとなる。なお、この場合は、車輪体5は、その軸心C2の周りには回転しない。   Further, for example, when the rotating members 27R and 27L are rotationally driven in opposite directions at the same speed, the wheel body 5 rotates around the center C1 of the cross section. As a result, the wheel body 5 moves in the direction of the axis C2 (that is, the left-right direction), and as a result, the entire vehicle 1 moves in the left-right direction. In this case, the wheel body 5 does not rotate around the axis C2.

さらに、回転部材27R,27Lを、互いに異なる速度(方向を含めた速度)で、同方向又は逆方向に回転駆動した場合には、車輪体5は、その軸心C2の周りに回転すると同時に、その横断面中心C1の周りに回転することとなる。   Furthermore, when the rotating members 27R and 27L are rotationally driven at different speeds (speeds including directions) in the same direction or in the opposite direction, the wheel body 5 rotates around its axis C2, It will rotate about the cross-sectional center C1.

この時、これらの回転動作の複合動作(合成動作)によって、前後方向及び左右方向に対して傾斜した方向に車輪体5が移動し、ひいては、車両1の全体が車輪体5と同方向に移動することとなる。この場合の車輪体5の移動方向は、回転部材27R,27Lの回転方向を含めた回転速度(回転方向に応じて極性が定義された回転速度ベクトル)の差に依存して変化するものとなる。   At this time, the wheel body 5 moves in a direction inclined with respect to the front-rear direction and the left-right direction by a combined operation (composite operation) of these rotational operations, and as a result, the entire vehicle 1 moves in the same direction as the wheel body 5. Will be. The moving direction of the wheel body 5 in this case changes depending on the difference in rotational speed (rotational speed vector in which the polarity is defined according to the rotational direction) including the rotational direction of the rotating members 27R and 27L. .

以上のように車輪体5の移動動作が行われるので、電動モータ31R,31Lのそれぞれの回転速度(回転方向を含む)を制御し、ひいては回転部材27R,27Lの回転速度を制御することによって、車両1の移動速度及び移動方向を制御できることとなる。   Since the moving operation of the wheel body 5 is performed as described above, by controlling the respective rotational speeds (including the rotational direction) of the electric motors 31R and 31L, and by controlling the rotational speeds of the rotating members 27R and 27L, The moving speed and moving direction of the vehicle 1 can be controlled.

次に、本実施形態の車両1の動作制御のための構成を説明する。なお、以降の説明では、図1及び図2に示すように、前後方向の水平軸をX軸、左右方向の水平軸をY軸、鉛直方向をZ軸とするXYZ座標系を想定し、前後方向、左右方向をそれぞれX軸方向、Y軸方向と言うことがある。   Next, the structure for operation control of the vehicle 1 of this embodiment is demonstrated. In the following description, as shown in FIGS. 1 and 2, an XYZ coordinate system is assumed in which the horizontal axis in the front-rear direction is the X axis, the horizontal axis in the left-right direction is the Y axis, and the vertical direction is the Z axis. The direction and the left-right direction may be referred to as the X-axis direction and the Y-axis direction, respectively.

まず、車両1の概略的な動作制御を説明すると、本実施形態では、基本的には、シート3に着座した乗員がその上体を傾けた場合(詳しくは、乗員と車両1とを合わせた全体の重心点の位置(水平面に投影した位置)を動かすように上体を傾けた場合)に、該上体を傾けた側に基体9がシート3と共に傾動する。そして、この時、基体9が傾いた側に車両1が移動するように、車輪体5の移動動作が制御される。例えば、乗員が上体を前傾させ、ひいては、基体9をシート3と共に前傾させると、車両1が前方に移動するように、車輪体5の移動動作が制御される。すなわち、本実施形態では、乗員が上体を動かし、ひいては、シート3と共に基体9を傾動させるという動作が、車両1に対する1つの基本的な操縦操作(車両1の動作要求)とされ、その操縦操作に応じて車輪体5の移動動作がアクチュエータ装置7を介して制御される。   First, schematic operation control of the vehicle 1 will be described. In the present embodiment, basically, when an occupant seated on the seat 3 tilts its upper body (specifically, the occupant and the vehicle 1 are combined). When the upper body is tilted so as to move the position of the entire center of gravity (the position projected on the horizontal plane), the base body 9 tilts together with the sheet 3 to the side on which the upper body is tilted. At this time, the moving operation of the wheel body 5 is controlled so that the vehicle 1 moves to the side on which the base body 9 is inclined. For example, when the occupant tilts the upper body forward and, as a result, tilts the base body 9 together with the seat 3, the movement operation of the wheel body 5 is controlled so that the vehicle 1 moves forward. That is, in the present embodiment, the operation of the occupant moving the upper body and thus tilting the base body 9 together with the seat 3 is one basic control operation (operation request of the vehicle 1) for the vehicle 1, and the control The moving operation of the wheel body 5 is controlled via the actuator device 7 in accordance with the operation.

ここで、本実施形態の車両1は、その全体の接地面としての車輪体5の接地面が、車両1とこれに搭乗する乗員との全体を床面に投影した領域に比して面積が小さい単一の局所領域となり、その単一の局所領域だけに床反力が作用する。このため、基体9が傾倒しないようにするためには、乗員及び車両1の全体の重心点が車輪体5の接地面のほぼ真上に位置するように、車輪体5を動かす必要がある。   Here, in the vehicle 1 of the present embodiment, the ground contact surface of the wheel body 5 as the entire ground contact surface has an area compared to a region where the entire vehicle 1 and the passengers riding on the vehicle 1 are projected on the floor surface. It becomes a small single local region, and the floor reaction force acts only on the single local region. For this reason, in order to prevent the base body 9 from tilting, it is necessary to move the wheel body 5 so that the center of gravity of the occupant and the vehicle 1 is positioned almost directly above the ground contact surface of the wheel body 5.

そこで、本実施形態では、乗員及び車両1の全体の重心点が、車輪体5の中心点(軸心C2上の中心点)のほぼ真上に位置する状態(より正確には当該重心点が車輪体5の接地面のほぼ真上に位置する状態)での基体9の姿勢を目標姿勢とし、基本的には、基体9の実際の姿勢を目標姿勢に収束させるように、車輪体5の移動動作が制御される。   Therefore, in the present embodiment, the center of gravity of the entire occupant and vehicle 1 is positioned almost directly above the center point of the wheel body 5 (center point on the axis C2) (more precisely, the center of gravity point is The posture of the base body 9 in a state (which is located almost directly above the ground contact surface of the wheel body 5) is set as a target posture, and basically, the actual posture of the base body 9 is converged to the target posture. The movement operation is controlled.

また、車両1を発進させる場合等において、アクチュエータ装置7による推進力とは別に、例えば乗員が必要に応じて自身の足により床を蹴り、それにより車両1の移動速度を増速させる推進力(乗員の足平と床との摩擦力による推進力)を、付加的な外力として車両1に作用させた場合には、それに応じて車両1の移動速度(より正確には、乗員及び車両の全体の重心点の移動速度)が増速するように、車輪体5の移動動作が制御される。なお、当該推進力の付加が停止された状態では、車両1の移動速度が一旦、一定速度に保持された後、減衰して、該車両1が停止するように、車輪体5の移動動作が制御される(車輪体5の制動制御が行われる)。   In addition, when starting the vehicle 1 and the like, apart from the propulsive force by the actuator device 7, for example, the occupant kicks the floor with his / her foot as necessary, thereby increasing the moving speed of the vehicle 1 ( When the driving force (the propulsive force generated by the frictional force between the occupant's foot and the floor) is applied to the vehicle 1 as an additional external force, the moving speed of the vehicle 1 (more precisely, the occupant and the entire vehicle) The movement operation of the wheel body 5 is controlled so that the movement speed of the center of gravity of the wheel body increases. In the state where the addition of the propulsive force is stopped, the moving operation of the wheel body 5 is performed so that the moving speed of the vehicle 1 is once held at a constant speed and then attenuated to stop the vehicle 1. Control (braking control of the wheel body 5 is performed).

さらに、車両1に乗員が搭乗していない状態では、車両1の単体の重心点が、車輪体5の中心点(軸心C2上の中心点)のほぼ真上に位置する状態(より正確には当該重心点が車輪体5の接地面のほぼ真上に位置する状態)での基体9の姿勢を目標姿勢とし、該基体9の実際の姿勢を目標姿勢に収束させ、ひいては、基体9が傾倒することなく車両1が自立するように、車輪体5の移動動作が制御される。   Further, in a state where no occupant is on board the vehicle 1, a state where the center of gravity of the single vehicle 1 is located almost directly above the center point of the wheel body 5 (center point on the axis C <b> 2) (more accurately, (The state where the center of gravity is located almost directly above the ground contact surface of the wheel body 5) is the target posture, and the actual posture of the base 9 is converged to the target posture. The movement operation of the wheel body 5 is controlled so that the vehicle 1 can stand on its own without tilting.

本実施形態では、以上の如き車両1の動作制御を行うために、図1及び図2に示すように、マイクロコンピュータや電動モータ31R,31Lのドライブ回路ユニットなどを含む電子回路ユニットにより構成された制御ユニット50と、基体9の所定の部位の鉛直方向(重力方向)に対する傾斜角θb及びその変化速度(=dθb/dt)を計測するための傾斜センサ52と、車両1に乗員が搭乗しているか否かを検知するための荷重センサ54と、電動モータ31R,31Lのそれぞれの出力軸の回転角度及び回転角速度を検出するための角度センサとしてのロータリーエンコーダ56R,56Lがそれぞれ、車両1の適所に搭載されている。   In the present embodiment, in order to control the operation of the vehicle 1 as described above, as shown in FIGS. 1 and 2, it is configured by an electronic circuit unit including a microcomputer and drive circuit units of the electric motors 31R and 31L. An occupant is on board the control unit 50, an inclination sensor 52 for measuring the inclination angle θb of the predetermined portion of the base body 9 with respect to the vertical direction (the direction of gravity) and its changing speed (= dθb / dt), and the vehicle 1. A load sensor 54 for detecting whether or not there is a rotary encoder 56R, 56L as an angle sensor for detecting the rotational angle and rotational angular velocity of the output shafts of the electric motors 31R, 31L, respectively. It is mounted on.

この場合、制御ユニット50及び傾斜センサ52は、例えば、基体9の支柱フレーム13の内部に収容された状態で該支柱フレーム13に取付けられている。また、荷重センサ54は、シート3に内蔵されている。また、ロータリーエンコーダ56R,56Lは、それぞれ、電動モータ31R,31Lと一体に設けられている。なお、ロータリーエンコーダ56R,56Lは、それぞれ、回転部材27R,27Lに装着してもよい。   In this case, the control unit 50 and the inclination sensor 52 are attached to the column frame 13 in a state of being accommodated in the column frame 13 of the base body 9, for example. The load sensor 54 is built in the seat 3. The rotary encoders 56R and 56L are provided integrally with the electric motors 31R and 31L, respectively. The rotary encoders 56R and 56L may be attached to the rotating members 27R and 27L, respectively.

上記傾斜センサ52は、より詳しくは、加速度センサとジャイロセンサ等のレートセンサ(角速度センサ)とから構成され、これらのセンサの検出信号を制御ユニット50に出力する。そして、制御ユニット50が、傾斜センサ52の加速度センサ及びレートセンサの出力を基に、所定の計測演算処理(これは公知の演算処理でよい)を実行することによって、傾斜センサ52を搭載した部位(本実施形態では支柱フレーム13)の、鉛直方向に対する傾斜角度θbの計測値とその変化速度(微分値)である傾斜角速度θbdotの計測値とを算出する。   More specifically, the tilt sensor 52 includes an acceleration sensor and a rate sensor (angular velocity sensor) such as a gyro sensor, and outputs detection signals of these sensors to the control unit 50. Then, the control unit 50 performs a predetermined measurement calculation process (this may be a known calculation process) based on the outputs of the acceleration sensor and the rate sensor of the tilt sensor 52, and thereby the part on which the tilt sensor 52 is mounted. The measured value of the inclination angle θb with respect to the vertical direction (the column frame 13 in this embodiment) and the measured value of the inclination angular velocity θbdot, which is the change speed (differential value) thereof, are calculated.

この場合、計測する傾斜角度θb(以降、基体傾斜角度θbということがある)は、より詳しくは、それぞれ、Y軸周り方向(ピッチ方向)の成分θb_xと、X軸周り方向(ロール方向)の成分θb_yとから成る。同様に、計測する傾斜角速度θbdot(以降、基体傾斜角速度θbdotということがある)も、Y軸周り方向(ピッチ方向)の成分θbdot_x(=dθb_x/dt)と、X軸周り方向(ロール方向)の成分θbdot_y(=dθb_y/dt)とから成る。   In this case, the tilt angle θb to be measured (hereinafter also referred to as the base body tilt angle θb) is more specifically, the component θb_x in the Y axis direction (pitch direction) and the X axis direction (roll direction), respectively. It consists of component θb_y. Similarly, the measured tilt angular velocity θbdot (hereinafter also referred to as the base tilt angular velocity θbdot) is also measured in the Y-axis direction (pitch direction) component θbdot_x (= dθb_x / dt) and the X-axis direction (roll direction). Component θbdot_y (= dθb_y / dt).

なお、本実施形態の説明では、上記基体傾斜角度θbなど、X軸及びY軸の各方向(又は各軸周り方向)の成分を有する運動状態量等の変数、あるいは、該運動状態量に関連する係数等の変数に関しては、その各成分を区別して表記する場合に、該変数の参照符号に、添え字“_x”又は“_y”を付加する。この場合において、並進速度等の並進運動に係わる変数については、そのX軸方向の成分に添え字“_x”を付加し、Y軸方向の成分に添え字“_y”を付加する。   In the description of the present embodiment, a variable such as a motion state quantity having a component in each direction of the X axis and the Y axis (or a direction around each axis) such as the base body inclination angle θb, or a relation to the motion state quantity. For a variable such as a coefficient to be processed, a suffix “_x” or “_y” is added to the reference symbol of the variable when each component is expressed separately. In this case, for a variable related to translational motion such as translational speed, a subscript “_x” is added to the component in the X-axis direction, and a subscript “_y” is added to the component in the Y-axis direction.

一方、角度、回転速度(角速度)、角加速度など、回転運動に係わる変数については、並進運動に係わる変数と添え字を揃えるために、便宜上、Y軸周り方向の成分に添え字“_x”を付加し、X軸周り方向の成分に添え字“_y”を付加する。   On the other hand, for variables related to rotational motion, such as angle, rotational speed (angular velocity), angular acceleration, etc., the subscript “_x” is added to the component around the Y axis for convenience in order to align the subscript with the variable related to translational motion. In addition, the subscript “_y” is added to the component around the X axis.

さらに、X軸方向の成分(又はY軸周り方向の成分)と、Y軸方向の成分(又はX軸周り方向の成分)との組として変数を表記する場合には、該変数の参照符号に添え字“_xy”を付加する。例えば、上記基体傾斜角度θbを、Y軸周り方向の成分θb_xとX軸周り方向の成分θb_yの組として表現する場合には、「基体傾斜角度θb_xy」というように表記する。   Further, when a variable is expressed as a set of a component in the X-axis direction (or a component around the Y-axis) and a component in the Y-axis direction (or a component around the X-axis), the reference numeral of the variable The subscript “_xy” is added. For example, when the base body tilt angle θb is expressed as a set of a component θb_x around the Y axis and a component θb_y around the X axis, it is expressed as “base body tilt angle θb_xy”.

前記荷重センサ54は、乗員がシート3に着座した場合に該乗員の重量による荷重を受けるようにシート3に内蔵され、その荷重に応じた検出信号を制御ユニット50に出力する。そして、制御ユニット50が、この荷重センサ54の出力により示される荷重の計測値に基づいて、車両1に乗員が搭乗しているか否かを判断する。なお、荷重センサ54の代わりに、例えば、乗員がシート3に着座したときにONとなるようなスイッチ式のセンサを用いてもよい。   The load sensor 54 is built in the seat 3 so as to receive a load due to the weight of the occupant when the occupant sits on the seat 3, and outputs a detection signal corresponding to the load to the control unit 50. Then, the control unit 50 determines whether or not an occupant is on the vehicle 1 based on the measured load value indicated by the output of the load sensor 54. Instead of the load sensor 54, for example, a switch type sensor that is turned on when an occupant sits on the seat 3 may be used.

ロータリーエンコーダ56Rは、電動モータ31Rの出力軸が所定角度回転する毎にパルス信号を発生し、このパルス信号を制御ユニット50に出力する。そして、制御ユニット50が、そのパルス信号を基に、電動モータ53Rの出力軸の回転角度を計測し、さらにその回転角度の計測値の時間的変化率(微分値)を電動モータ53Rの回転角速度として計測する。電動モータ31L側のロータリーエンコーダ56Lについても同様である。   The rotary encoder 56R generates a pulse signal every time the output shaft of the electric motor 31R rotates by a predetermined angle, and outputs this pulse signal to the control unit 50. Then, the control unit 50 measures the rotational angle of the output shaft of the electric motor 53R based on the pulse signal, and further calculates the temporal change rate (differential value) of the measured value of the rotational angle as the rotational angular velocity of the electric motor 53R. Measure as The same applies to the rotary encoder 56L on the electric motor 31L side.

制御ユニット50は、上記の各計測値を用いて所定の演算処理を実行することによって、電動モータ31R,31Lのそれぞれの回転角速度の目標値である速度指令を決定し、その速度指令に従って、電動モータ31R,31Lのそれぞれの回転角速度をフィードバック制御する。なお、電動モータ31Rの出力軸の回転角速度と、回転部材27Rの回転角速度との間の関係は、該出力軸と回転部材27Rとの間の一定値の減速比に応じた比例関係になるので、本実施形態の説明では、便宜上、電動モータ31Rの回転角速度は、回転部材27Rの回転角速度を意味するものとする。同様に、電動モータ31Lの回転角速度は、回転部材27Lの回転角速度を意味するものとする。   The control unit 50 determines a speed command that is a target value of the rotational angular speed of each of the electric motors 31R and 31L by executing a predetermined calculation process using each of the measured values, and the electric motor is operated according to the speed command. The rotational angular velocities of the motors 31R and 31L are feedback controlled. The relationship between the rotational angular velocity of the output shaft of the electric motor 31R and the rotational angular velocity of the rotating member 27R is proportional to the constant reduction ratio between the output shaft and the rotating member 27R. In the description of this embodiment, for the sake of convenience, the rotational angular velocity of the electric motor 31R means the rotational angular velocity of the rotating member 27R. Similarly, the rotational angular velocity of the electric motor 31L means the rotational angular velocity of the rotating member 27L.

次に、制御ユニット50が車両制御のために行う演算処理の概略を説明する。   Next, an outline of arithmetic processing performed by the control unit 50 for vehicle control will be described.

なお、以降の説明では、基体傾斜角度θbの計測値θb_xy_sなど、変数(状態量)の実際の値の観測値(計測値又は推定値)を参照符号により表記する場合に、該変数の参照符号に、添え字“_s”を付加する。   In the following description, when an observed value (measured value or estimated value) of an actual value of a variable (state quantity) such as a measured value θb_xy_s of the base body tilt angle θb is represented by a reference code, the reference code of the variable Is appended with a subscript “_s”.

また、以降の説明では、制御ユニット50が各制御処理周期で決定する値(更新する値)に関し、現在の(最新の)制御処理周期で決定する値を今回値、その1つ前の制御処理周期で決定した値を前回値ということがある。そして、今回値、前回値を特にことわらない値は、今回値を意味する。   In the following description, regarding the value (value to be updated) determined by the control unit 50 in each control processing cycle, the value determined in the current (latest) control processing cycle is the current value, and the control processing immediately before that The value determined by the cycle may be referred to as the previous value. A value not particularly different from the current value and the previous value means the current value.

また、X軸方向の速度及び加速度に関しては、前方向きを正の向きとし、Y軸方向の速度及び加速度に関しては、左向きを正の向きとする。   Further, regarding the speed and acceleration in the X-axis direction, the forward direction is a positive direction, and regarding the speed and acceleration in the Y-axis direction, the left direction is a positive direction.

本実施形態では、車両系重心点の動力学的な挙動(詳しくは、Y軸方向からこれに直交する面(XZ平面)に投影して見た挙動と、X軸方向からこれに直交する面(YZ平面)に投影して見た挙動)が、近似的に、図7に示すような、倒立振子モデルの挙動(倒立振子の動力学的挙動)によって表現されるものとして、車両制御のための演算処理が行われる。   In this embodiment, the dynamic behavior of the center of gravity of the vehicle system (specifically, the behavior seen by projecting from the Y-axis direction onto the plane orthogonal to this (XZ plane) and the plane orthogonal to this from the X-axis direction) (Behavior projected on the (YZ plane)) is approximately expressed by the behavior of the inverted pendulum model (the dynamic behavior of the inverted pendulum) as shown in FIG. The arithmetic processing is performed.

なお、図7において、括弧を付していない参照符号は、Y軸方向から見た倒立振子モデルに対応する参照符号であり、括弧付きの参照符号は、X軸方向から見た倒立振子モデルに対応する参照符号である。この場合、Y軸方向から見た挙動を表現する倒立振子モデルは、車両の重心点に位置する質点60_xと、Y軸方向に平行な回転軸62a_xを有して床面上を輪転自在な仮想的な車輪62_x(以降、仮想車輪62_xという)とを備える。そして、質点60_xが、仮想車輪62_xの回転軸62a_xに直線状のロッド64_xを介して支持され、該回転軸62a_xを支点として該回転軸62a_xの周りに揺動自在とされている。   In FIG. 7, reference numerals without parentheses are reference numerals corresponding to the inverted pendulum model viewed from the Y-axis direction, and reference numerals with parentheses refer to the inverted pendulum model viewed from the X-axis direction. Corresponding reference sign. In this case, the inverted pendulum model expressing the behavior viewed from the Y-axis direction has a mass point 60_x located at the center of gravity of the vehicle and a rotation axis 62a_x parallel to the Y-axis direction, and can be rotated freely on the floor surface. Wheel 62_x (hereinafter referred to as virtual wheel 62_x). The mass point 60_x is supported by the rotation shaft 62a_x of the virtual wheel 62_x via the linear rod 64_x, and can swing around the rotation shaft 62a_x with the rotation shaft 62a_x as a fulcrum.

この倒立振子モデルでは、質点60_xの運動が、Y軸方向から見た車両系重心点の運動に相当する。また、鉛直方向に対するロッド64_xの傾斜角度θbe_xがY軸周り方向での基体傾斜角度計測値θb_x_sと基体傾斜角度目標値θb_x_objとの偏差θbe_x_s(=θb_x_s−θb_x_obj)に一致するものとされる。また、ロッド64_xの傾斜角度θbe_xの変化速度(=dθbe_x/dt)がY軸周り方向の基体傾斜角速度計測値θbdot_x_sに一致するものとされる。また、仮想車輪62_xの移動速度Vw_x(X軸方向の並進移動速度)は、車両1の車輪体5のX軸方向の移動速度に一致するものとされる。   In this inverted pendulum model, the motion of the mass point 60_x corresponds to the motion of the vehicle system center of gravity as viewed from the Y-axis direction. Further, the inclination angle θbe_x of the rod 64_x with respect to the vertical direction coincides with the deviation θbe_x_s (= θb_x_s−θb_x_obj) between the measured base body tilt angle value θb_x_s and the base body tilt angle target value θb_x_obj in the direction around the Y axis. Further, the changing speed (= dθbe_x / dt) of the inclination angle θbe_x of the rod 64_x is set to coincide with the measured body inclination angular velocity θbdot_x_s in the direction around the Y axis. Further, the movement speed Vw_x (translation movement speed in the X-axis direction) of the virtual wheel 62_x is the same as the movement speed in the X-axis direction of the wheel body 5 of the vehicle 1.

同様に、X軸方向から見た挙動を表現する倒立振子モデル(図7の括弧付きの符号を参照)は、車両系重心点に位置する質点60_yと、X軸方向に平行な回転軸62a_yを有して床面上を輪転自在な仮想的な車輪62_y(以降、仮想車輪62_yという)とを備える。そして、質点60_yが、仮想車輪62_yの回転軸62a_yに直線状のロッド64_yを介して支持され、該回転軸62a_yを支点として該回転軸62a_yの周りに揺動自在とされている。   Similarly, an inverted pendulum model (refer to the reference numerals in parentheses in FIG. 7) expressing the behavior seen from the X-axis direction includes a mass point 60_y located at the center of gravity of the vehicle system and a rotation axis 62a_y parallel to the X-axis direction. And virtual wheels 62_y (hereinafter referred to as virtual wheels 62_y) that can rotate on the floor surface. The mass point 60_y is supported by the rotation shaft 62a_y of the virtual wheel 62_y via a linear rod 64_y, and can swing around the rotation shaft 62a_y with the rotation shaft 62a_y as a fulcrum.

この倒立振子モデルでは、質点60_yの運動が、X軸方向から見た車両系重心点の運動に相当する。また、鉛直方向に対するロッド64_yの傾斜角度θbe_yがX軸周り方向での基体傾斜角度計測値θb_y_sと基体傾斜角度目標値θb_y_objとの偏差θbe_y_s(=θb_y_s−θb_y_obj)に一致するものとされる。また、ロッド64_yの傾斜角度θbe_yの変化速度(=dθbe_y/dt)がX軸周り方向の基体傾斜角速度計測値θbdot_y_sに一致するものとされる。また、仮想車輪62_yの移動速度Vw_y(Y軸方向の並進移動速度)は、車両1の車輪体5のY軸方向の移動速度に一致するものとされる。   In this inverted pendulum model, the motion of the mass point 60_y corresponds to the motion of the vehicle system center-of-gravity point viewed from the X-axis direction. In addition, the inclination angle θbe_y of the rod 64_y with respect to the vertical direction coincides with the deviation θbe_y_s (= θb_y_s−θb_y_obj) between the measured base body tilt angle value θb_y_s and the base body tilt angle target value θb_y_obj in the direction around the X axis. In addition, the change speed (= dθbe_y / dt) of the inclination angle θbe_y of the rod 64_y coincides with the measured base body inclination angular velocity θbdot_y_s in the direction around the X axis. Further, the moving speed Vw_y (translational moving speed in the Y-axis direction) of the virtual wheel 62_y is set to coincide with the moving speed in the Y-axis direction of the wheel body 5 of the vehicle 1.

なお、仮想車輪62_x,62_yは、それぞれ、あらかじめ定められた所定値Rw_x,Rw_yの半径を有するものとされる。また、仮想車輪62_x,62_yのそれぞれの回転角速度ωw_x,ωw_yと、電動モータ31R,31Lのそれぞれの回転角速度ω_R,ω_L(より正確には、回転部材27R,27Lのそれぞれの回転角速度ω_R,ω_L)との間には、次式01a,01bの関係が成立するものとされる。
ωw_x=C・(ω_R−ω_L)/2 ……式01a
ωw_y=(ω_R+ω_L)/2 ……式01b
The virtual wheels 62_x and 62_y have predetermined radii of predetermined values Rw_x and Rw_y, respectively. Further, the rotational angular velocities ωw_x and ωw_y of the virtual wheels 62_x and 62_y and the rotational angular velocities ω_R and ω_L of the electric motors 31R and 31L (more precisely, the rotational angular velocities ω_R and ω_L of the rotating members 27R and 27L), respectively. The relationship of the following formulas 01a and 01b is established.
ωw_x = C · (ω_R−ω_L) / 2 …… Formula 01a
ωw_y = (ω_R + ω_L) / 2 …… Formula 01b

なお、式01aにおける“C”は、前記フリーローラ29R,29Lと車輪体5との間の機構的な関係や滑りに依存する所定値の係数である。ここで、図7に示す倒立振子モデルの動力学は、次式03x,03yにより表現される。なお、式03xは、Y軸方向から見た倒立振子モデルの動力学を表現する式、式03yは、X軸方向から見た倒立振子モデルの動力学を表現する式である。
2θbe_x/dt2=α_x・θbe_x+β_x・ωwdot_x ……式03x
2θbe_y/dt2=α_y・θbe_y+β_y・ωwdot_y ……式03y
Note that “C” in the expression 01a is a coefficient of a predetermined value depending on the mechanical relationship between the free rollers 29R and 29L and the wheel body 5 and slippage. Here, the dynamics of the inverted pendulum model shown in FIG. 7 is expressed by the following equations 03x and 03y. The expression 03x is an expression expressing the dynamics of the inverted pendulum model viewed from the Y-axis direction, and the expression 03y is an expression expressing the dynamics of the inverted pendulum model viewed from the X-axis direction.
d 2 θbe_x / dt 2 = α_x · θbe_x + β_x · ωwdot_x ...... Formula 03x
d 2 θbe_y / dt 2 = α_y · θbe_y + β_y · ωwdot_y ...... Formula 03y

式03xにおけるωwdot_xは仮想車輪62_xの回転角加速度(回転角速度ωw_xの1階微分値)、α_xは、質点60_xの質量や高さh_xに依存する係数、β_xは、仮想車輪62_xのイナーシャ(慣性モーメント)や半径Rw_xに依存する係数である。式03yにおけるωwdot_y、α_y、β_yについても上記と同様である。これらの式03x,03yから判るように、倒立振子の質点60_x,60_yの運動(ひいては車両系重心点の運動)は、それぞれ、仮想車輪62_xの回転角加速度ωwdot_x、仮想車輪62_yの回転角加速度ωwdot_yに依存して規定される。   In equation 03x, ωwdot_x is the rotational angular acceleration of the virtual wheel 62_x (first-order differential value of the rotational angular velocity ωw_x), α_x is a coefficient that depends on the mass and height h_x of the mass 60_x, and β_x is the inertia (moment of inertia of the virtual wheel 62_x ) And the radius Rw_x. The same applies to ωwdot_y, α_y, and β_y in Expression 03y. As can be seen from these equations 03x and 03y, the motions of the mass points 60_x and 60_y of the inverted pendulum (and hence the motion of the center of gravity of the vehicle system) are the rotational angular acceleration ωwdot_x of the virtual wheel 62_x and the rotational angular acceleration ωwdot_y of the virtual wheel 62_y, respectively. It is defined depending on.

そこで、本実施形態では、Y軸方向から見た車両系重心点の運動を制御するための操作量(制御入力)として、仮想車輪62_xの回転角加速度ωwdot_xを用いると共に、X軸方向から見た車両系重心点の運動を制御するための操作量(制御入力)として、仮想車輪62_yの回転角加速度ωwdot_yを用いる。   Therefore, in the present embodiment, the rotational angular acceleration ωwdot_x of the virtual wheel 62_x is used as an operation amount (control input) for controlling the motion of the vehicle system center of gravity point viewed from the Y-axis direction, and viewed from the X-axis direction. The rotational angular acceleration ωwdot_y of the virtual wheel 62_y is used as an operation amount (control input) for controlling the motion of the vehicle system center of gravity.

そして、車両制御のための演算処理を概略的に説明すると、制御ユニット50は、X軸方向で見た質点60_xの運動と、Y軸方向で見た質点60_yの運動とが、車両系重心点の所望の運動に対応する運動となるように、操作量としての上記回転角加速度ωwdot_x,ωwdot_yの指令値(目標値)である仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmd,ωwdot_y_cmdを決定する。さらに、制御ユニット50は、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmd,ωwdot_y_cmdをそれぞれ積分してなる値を、仮想車輪62_x,62_yのそれぞれの回転角速度ωw_x,ωw_yの指令値(目標値)である仮想車輪回転角速度指令ωw_x_cmd,ωw_y_cmdとして決定する。   The calculation processing for vehicle control will be described schematically. The control unit 50 determines that the motion of the mass point 60_x viewed in the X-axis direction and the motion of the mass point 60_y viewed in the Y-axis direction are the vehicle system center of gravity. Virtual wheel rotational angular acceleration commands ωwdot_x_cmd and ωwdot_y_cmd, which are command values (target values) of the rotational angular accelerations ωwdot_x and ωwdot_y as the operation amounts, are determined so as to correspond to the desired motion. Further, the control unit 50 integrates the virtual wheel rotation angular acceleration commands ωwdot_x_cmd and ωwdot_y_cmd, and the virtual wheel rotation that is the command values (target values) of the respective rotation angular velocities ωw_x and ωw_y of the virtual wheels 62_x and 62_y. The angular velocity commands are determined as ωw_x_cmd and ωw_y_cmd.

そして、制御ユニット50は、仮想車輪回転角速度指令ωw_x_cmdに対応する仮想車輪62_xの移動速度(=Rw_x・ωw_x_cmd)と、仮想車輪回転角速度指令ωw_y_cmdに対応する仮想車輪62_yの移動速度(=Rw_y・ωw_y_cmd)とを、それぞれ、車両1の車輪体5のX軸方向の目標移動速度、Y軸方向の目標移動速度とし、それらの目標移動速度を実現するように、電動モータ31R,31Lのそれぞれの速度指令ω_R_cmd,ωL_cmdを決定する。   Then, the control unit 50 moves the virtual wheel 62_x corresponding to the virtual wheel rotational angular velocity command ωw_x_cmd (= Rw_x · ωw_x_cmd) and the virtual wheel 62_y corresponding to the virtual wheel rotational angular velocity command ωw_y_cmd (= Rw_y · ωw_y_cmd). ) As the target movement speed in the X-axis direction and the target movement speed in the Y-axis direction of the wheel body 5 of the vehicle 1, and the respective speeds of the electric motors 31 </ b> R and 31 </ b> L so as to realize these target movement speeds. The commands ω_R_cmd and ωL_cmd are determined.

次に、上記の車両1を用いた歩行補助システムの構成を説明する。図8及び図9は、本実施形態による歩行補助システムの構成を模式的に示している。図8は、歩行補助システムを横から見た図であり、図9は、歩行補助システムを上から見た図である。   Next, the configuration of the walking assist system using the vehicle 1 will be described. 8 and 9 schematically show the configuration of the walking assist system according to the present embodiment. FIG. 8 is a view of the walking assist system as viewed from the side, and FIG. 9 is a view of the walking assist system as viewed from above.

本実施形態による歩行補助システムは、傾斜センサ52及び6軸力センサ57を内蔵した2台の車両1a,1bと、これら2台の車両1a,1bが係止されたベルト58とを備える。使用者U(装着者)がベルト58を腰部に装着して歩行すると、2台の車両1a,1bが使用者Uを支えると共に使用者Uを後ろから押すことで歩行を補助する。なお、車両1a,1bには人が搭乗しないので、前述したシート3、シートフレーム15、グリップ17R,17L、ブラケット19R,19L、ステップ25R,25L、荷重センサ54は必要ない。また、本実施形態では2台の車両を用いているが、3台以上であってもよい。   The walking assist system according to the present embodiment includes two vehicles 1a and 1b each including a tilt sensor 52 and a six-axis force sensor 57, and a belt 58 on which the two vehicles 1a and 1b are locked. When the user U (wearer) walks while wearing the belt 58 on the waist, the two vehicles 1a and 1b support the user U and assist the walking by pushing the user U from behind. In addition, since a person does not board the vehicles 1a and 1b, the seat 3, the seat frame 15, the grips 17R and 17L, the brackets 19R and 19L, the steps 25R and 25L, and the load sensor 54 described above are not necessary. In the present embodiment, two vehicles are used, but three or more vehicles may be used.

ベルト58は、基準軸P方向を基準とした場合の水平方向に対する車両1aの開き角度θ1及び車両1bの開き角度θ2を検出する角度センサ(後述する開き角度センサ59a,59b)と、鉛直方向に対する各車両の傾き角度に相当する基体傾斜角度θbの目標値θb_x_objをリセットするためのボタン(後述する傾斜角リセットボタン61)とを内蔵している。この角度センサは、ベルト58において、車両1a,1bとの接続部分に配置されており、車両1a,1bとベルト58とを接続する軸を中心に車両1a,1bが水平面内で回転したときの回転量を開き角度θ1,θ2として検出する。本実施形態では、開き角度θ1,θ2が一定に収束するような制御が行われるため、使用者Uが任意の方向に移動した場合でも、使用者Uと車両1a,1bとの位置関係を一定に保つことができる。すなわち、使用者Uの向きの変化に合わせて車両1a,1bが向きを変えると共に、車両1a,1bの開き角度が一定となる。   The belt 58 includes an angle sensor (opening angle sensors 59a and 59b described later) for detecting the opening angle θ1 of the vehicle 1a and the opening angle θ2 of the vehicle 1b with respect to the horizontal direction with respect to the reference axis P direction, and the vertical direction. A button (an inclination angle reset button 61 described later) for resetting a target value θb_x_obj of the base body inclination angle θb corresponding to the inclination angle of each vehicle is incorporated. This angle sensor is disposed at a connection portion of the belt 58 with the vehicles 1a and 1b, and when the vehicles 1a and 1b rotate in a horizontal plane around an axis connecting the vehicles 1a and 1b and the belt 58. The amount of rotation is detected as opening angles θ1 and θ2. In the present embodiment, since the control is performed so that the opening angles θ1 and θ2 converge uniformly, the positional relationship between the user U and the vehicles 1a and 1b is constant even when the user U moves in an arbitrary direction. Can be kept in. That is, the direction of the vehicles 1a and 1b changes according to the change in the direction of the user U, and the opening angle of the vehicles 1a and 1b becomes constant.

基体傾斜角度θbの目標値θb_x_objは、例えば使用者Uがベルト58を装着したときの基体傾斜角度θbに設定される。そして、本実施形態では、車両1a,1bの基体傾斜角度θbの計測値θb_x_sが目標値θb_x_objに収束するような制御が行われる。   The target value θb_x_obj of the base body tilt angle θb is set to, for example, the base body tilt angle θb when the user U wears the belt 58. In the present embodiment, control is performed such that the measured value θb_x_s of the base body inclination angle θb of the vehicles 1a and 1b converges to the target value θb_x_obj.

車両1a,1bは、前述した傾斜センサ52と共に、車両1a,1bに加わる力(車両1a,1bと装着者の間の力)を検出する6軸力センサ57を内蔵している。この6軸力センサ57は、車両1a,1bにおいて、ベルト58との接続部分の近傍に配置されている。以下では、車両1aの6軸力センサ57が検出した、車両1aの座標系におけるX軸方向の力をFx1とし、車両1bの6軸力センサ57が検出した、車両1bの座標系におけるX軸方向の力をFx2とする。本実施形態では、6軸力センサ57が検出した力の低周波成分に応じて車両1a,1bの速度が制御されるため、車両1a,1bの前後方向の移動の揺らぎによる歩行の揺らぎ(例えば左右方向の蛇行)が抑えられ、使用者Uが安定して一定方向に進むことができる。   The vehicles 1a and 1b incorporate a six-axis force sensor 57 that detects the force applied to the vehicles 1a and 1b (force between the vehicles 1a and 1b and the wearer) together with the tilt sensor 52 described above. The six-axis force sensor 57 is disposed in the vicinity of the connection portion with the belt 58 in the vehicles 1a and 1b. In the following, the force in the X-axis direction in the coordinate system of the vehicle 1a detected by the six-axis force sensor 57 of the vehicle 1a is Fx1, and the X-axis in the coordinate system of the vehicle 1b detected by the six-axis force sensor 57 of the vehicle 1b. The direction force is Fx2. In the present embodiment, the speed of the vehicles 1a and 1b is controlled in accordance with the low frequency component of the force detected by the six-axis force sensor 57. Therefore, the walking fluctuation due to the fluctuation of the movement of the vehicles 1a and 1b in the front-rear direction (for example, The meandering in the left-right direction) is suppressed, and the user U can stably travel in a certain direction.

図10は、本実施形態による歩行補助システムの機能構成を示している。なお、図10は、車両1a,1bの走行制御に係る要部の構成のみを示し、一部の構成を省略している。   FIG. 10 shows a functional configuration of the walking assist system according to the present embodiment. In addition, FIG. 10 shows only the configuration of the main part related to the travel control of the vehicles 1a and 1b, and a part of the configuration is omitted.

ベルト58は、車両1aの開き角度θ1を検出する開き角度センサ59aと、車両1bの開き角度θ2を検出する開き角度センサ59bと、傾斜角リセットボタン61とを備える。開き角度センサ59aが検出した開き角度θ1を示す信号は車両1aの制御ユニット50へ出力され、開き角度センサ59bが検出した開き角度θ2を示す信号は車両1bの制御ユニット50へ出力される。傾斜角リセットボタン61からの信号は車両1a,1bの制御ユニット50へ出力される。   The belt 58 includes an opening angle sensor 59a for detecting the opening angle θ1 of the vehicle 1a, an opening angle sensor 59b for detecting the opening angle θ2 of the vehicle 1b, and an inclination angle reset button 61. A signal indicating the opening angle θ1 detected by the opening angle sensor 59a is output to the control unit 50 of the vehicle 1a, and a signal indicating the opening angle θ2 detected by the opening angle sensor 59b is output to the control unit 50 of the vehicle 1b. A signal from the tilt angle reset button 61 is output to the control unit 50 of the vehicles 1a and 1b.

車両1a,1bは、図1等に示した車輪体5の駆動力を発生するアクチュエータ装置7と、各車両の走行制御を行う制御ユニット50と、基体傾斜角度θb及びその変化速度(=dθb/dt)を検出する傾斜センサ52と、各車両に加わる力(各車両と装着者の間の力)を検出する6軸力センサ57とを備える。前述したように、アクチュエータ装置7は、図1等に示した回転部材27R及びフリーローラ29Rと、回転部材27L及びフリーローラ29Lと、電動モータ31R及び電動モータ31Lとを備える。   The vehicles 1a and 1b include an actuator device 7 that generates the driving force of the wheel body 5 shown in FIG. 1 and the like, a control unit 50 that controls the traveling of each vehicle, a base body inclination angle θb, and its change speed (= dθb / An inclination sensor 52 that detects dt) and a six-axis force sensor 57 that detects a force applied to each vehicle (a force between each vehicle and the wearer). As described above, the actuator device 7 includes the rotating member 27R and the free roller 29R, the rotating member 27L and the free roller 29L, the electric motor 31R, and the electric motor 31L illustrated in FIG.

次に、制御ユニット50の制御処理をさらに詳細に説明する。制御ユニット50は、所定の制御処理周期で図11のフローチャートに示す処理(メインルーチン処理)を実行する。   Next, the control process of the control unit 50 will be described in more detail. The control unit 50 executes the process (main routine process) shown in the flowchart of FIG. 11 at a predetermined control process cycle.

まず、ステップS100において、制御ユニット50は、傾斜センサ52の出力を取得する。   First, in step S100, the control unit 50 acquires the output of the tilt sensor 52.

次いで、ステップS110に進んで、制御ユニット50は、取得した傾斜センサ52の出力を基に、基体傾斜角度θbの計測値θb_xy_sと、基体傾斜角速度θbdotの計測値θbdot_xy_sとを算出する。   Next, the process proceeds to step S110, and the control unit 50 calculates the measured value θb_xy_s of the base body tilt angle θb and the measured value θbdot_xy_s of the base body tilt angular velocity θbdot based on the acquired output of the tilt sensor 52.

次いで、ステップS120に進んで、制御ユニット50は、開き角度センサ59aの出力である開き角度θ1の計測値θ1_s又は開き角度センサ59bの出力である開き角度θ2の計測値θ2_sを取得する。   Next, proceeding to step S120, the control unit 50 obtains the measured value θ1_s of the opening angle θ1 that is the output of the opening angle sensor 59a or the measured value θ2_s of the opening angle θ2 that is the output of the opening angle sensor 59b.

次いで、ステップS130に進んで、制御ユニット50は、6軸力センサ57の出力である力Fx1の計測値Fx1_s又は力Fx2の計測値Fx2_sを取得する。   Next, the process proceeds to step S130, and the control unit 50 acquires the measurement value Fx1_s of the force Fx1 or the measurement value Fx2_s of the force Fx2 that is the output of the six-axis force sensor 57.

次いで、ステップS140に進んで、制御ユニット50は、傾斜角リセットボタン61が操作されたか否かを判定する。この操作とは、例えば傾斜角リセットボタン61をOFFからONに切り替える操作である。   Next, the process proceeds to step S140, and the control unit 50 determines whether or not the tilt angle reset button 61 has been operated. This operation is, for example, an operation of switching the tilt angle reset button 61 from OFF to ON.

傾斜角リセットボタン61が操作された場合、ステップS150に進んで、制御ユニット50は、基体傾斜角度θbの目標値θb_x_objを現在の基体傾斜角度θbに設定する。初期設定された目標値θb_x_objが使用者Uの歩行特性に合致せず、使用者Uが歩きにくさを感じた場合に、目標値θb_x_objを歩行中の一時点における基体傾斜角度θbに更新することによって、使用者の歩行をより安定化することができる。また、傾斜角リセットボタン61が操作された場合は、ステップS150を実行せずに次のステップS160に進む。   When the tilt angle reset button 61 is operated, the process proceeds to step S150, and the control unit 50 sets the target value θb_x_obj of the base body tilt angle θb to the current base body tilt angle θb. When the initially set target value θb_x_obj does not match the walking characteristics of the user U and the user U feels it is difficult to walk, the target value θb_x_obj is updated to the base body tilt angle θb at one point during walking. Thus, the user's walking can be further stabilized. If the tilt angle reset button 61 is operated, the process proceeds to the next step S160 without executing step S150.

次いで、ステップS160に進んで、制御ユニット50は、車両制御演算処理を実行することによって、電動モータ31R,31Lのそれぞれの速度指令を決定する。この車両制御演算処理の詳細は後述する。   Next, the process proceeds to step S160, and the control unit 50 determines the respective speed commands of the electric motors 31R and 31L by executing a vehicle control calculation process. Details of this vehicle control calculation processing will be described later.

次いで、ステップS170に進んで、制御ユニット50は、ステップS160で決定した速度指令に応じて電動モータ31R,31Lの動作制御処理を実行する。この動作制御処理では、制御ユニット50は、ステップS160で決定した電動モータ31Rの速度指令と、ロータリーエンコーダ56Rの出力に基づき計測した電動モータ31Rの回転速度の計測値との偏差に応じて、該偏差を“0”に収束させるように電動モータ31Rの出力トルクの目標値(目標トルク)を決定する。そして、制御ユニット50は、その目標トルクの出力トルクを電動モータ31Rに出力させるように該電動モータ31Rの通電電流を制御する。左側の電動モータ31Lの動作制御についても同様である。以上が、制御ユニット50が実行する全体的な制御処理である。   Next, the process proceeds to step S170, and the control unit 50 executes an operation control process for the electric motors 31R and 31L in accordance with the speed command determined in step S160. In this operation control process, the control unit 50 determines the difference between the speed command of the electric motor 31R determined in step S160 and the measured value of the rotational speed of the electric motor 31R measured based on the output of the rotary encoder 56R. The target value (target torque) of the output torque of the electric motor 31R is determined so that the deviation converges to “0”. Then, the control unit 50 controls the energization current of the electric motor 31R so that the output torque of the target torque is output to the electric motor 31R. The same applies to the operation control of the left electric motor 31L. The above is the overall control process executed by the control unit 50.

制御ユニット50は、上記の如き、ステップS160の車両制御演算処理を実行するための機能として、図12のブロック図で示す機能を備えている。すなわち、制御ユニット50は、車両1aに加わる力の計測値Fx1_sの高周波成分を除去するための時定数Tのローパスフィルタとして機能するフィルタ演算部70と、車両1bに加わる力の計測値Fx2_sの高周波成分を除去するための時定数Tのローパスフィルタとして機能するフィルタ演算部71と、車両の重心点の移動速度である重心速度Vb_xyの観測値としての重心速度推定値Vb_xy_sを算出する重心速度算出部72とを備える。また、制御ユニット50は、さらに、前述した仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdを算出する姿勢制御演算部80と、この仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdを、右側の電動モータ31Rの速度指令ω_R_cmd(回転角速度の指令値)と左側の電動モータ31Lの速度指令ω_L_cmd(回転角速度の指令値)との組に変換するモータ指令演算部82とを備える。   As described above, the control unit 50 has the function shown in the block diagram of FIG. 12 as a function for executing the vehicle control calculation process in step S160. That is, the control unit 50 includes a filter calculation unit 70 that functions as a low-pass filter with a time constant T for removing a high-frequency component of the force measurement value Fx1_s applied to the vehicle 1a, and a high-frequency of the force measurement value Fx2_s applied to the vehicle 1b. A filter calculation unit 71 that functions as a low-pass filter with a time constant T for removing components, and a center-of-gravity speed calculation unit that calculates a center-of-gravity speed estimated value Vb_xy_s as an observed value of the center-of-gravity speed Vb_xy that is the moving speed of the center of gravity of the vehicle 72. Further, the control unit 50 further outputs the above-described attitude control calculation unit 80 for calculating the virtual wheel rotation angular velocity command ωw_xy_cmd and the virtual wheel rotation angular velocity command ωw_xy_cmd to the speed command ω_R_cmd (rotation angular velocity command) of the right electric motor 31R. Value) and a speed command ω_L_cmd (rotational angular speed command value) of the left electric motor 31L.

なお、図12中の参照符号84を付したものは、姿勢制御演算部80が制御処理周期毎に算出する仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdを入力する遅延要素を示している。該遅延要素84は、各制御処理周期において、仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdの前回値ωw_xy_cmd_pを出力する。   The reference numeral 84 in FIG. 12 indicates a delay element for inputting the virtual wheel rotation angular velocity command ωw_xy_cmd calculated by the attitude control calculation unit 80 for each control processing cycle. The delay element 84 outputs the previous value ωw_xy_cmd_p of the virtual wheel rotation angular velocity command ωw_xy_cmd in each control processing cycle.

ステップS160の車両制御演算処理では、これらの上記の各処理部の処理が以下に説明するように実行される。すなわち、制御ユニット50は、まず、フィルタ演算部70,71の処理と重心速度算出部72の処理とを実行する。   In the vehicle control calculation process of step S160, the processes of the above-described respective processing units are executed as described below. That is, the control unit 50 first executes the processing of the filter calculation units 70 and 71 and the processing of the gravity center speed calculation unit 72.

フィルタ演算部70には、ステップS130で取得された力計測値Fx1_sが入力される。そして、フィルタ演算部70は、Fx1_sから高周波成分を除去するフィルタ演算を実行する。同様に、フィルタ演算部71には、ステップS130で取得された力計測値Fx2_sが入力される。そして、フィルタ演算部71は、Fx2_sから高周波成分を除去するフィルタ演算を実行する。   The force calculation value Fx1_s acquired in step S130 is input to the filter calculation unit 70. Then, the filter calculation unit 70 performs a filter calculation for removing a high frequency component from Fx1_s. Similarly, the force measurement value Fx2_s acquired in step S130 is input to the filter calculation unit 71. Then, the filter calculation unit 71 performs a filter calculation for removing a high frequency component from Fx2_s.

重心速度算出部72には、ステップS110で算出された基体傾斜角速度計測値θbdot_xy_s(θbdot_x_s及びθbdot_y_s)の今回値が入力されると共に、仮想車輪速度指令ωw_xy_cmdの前回値ωw_xy_cmd_p(ωw_x_cmd_p及びωw_y_cmd_p)が遅延要素84から入力される。そして、重心速度算出部72は、これらの入力値から、前記倒立振子モデルに基づく所定の演算式によって、重心速度推定値Vb_xy_s(Vb_x_s及びVb_y_s)を算出する。   The center-of-gravity velocity calculation unit 72 receives the current value of the base body tilt angular velocity measurement value θbdot_xy_s (θbdot_x_s and θbdot_y_s) calculated in step S110, and delays the previous value ωw_xy_cmd_p (ωw_x_cmd_p and ωw_y_cmd_p) of the virtual wheel speed command ωw_xy_cmd. Input from element 84. Then, the center-of-gravity speed calculation unit 72 calculates the center-of-gravity speed estimated values Vb_xy_s (Vb_x_s and Vb_y_s) from these input values using a predetermined arithmetic expression based on the inverted pendulum model.

具体的には、重心速度算出部72は、次式05x,05yにより、Vb_x_s及びVb_y_sをそれぞれ算出する。
Vb_x_s=Rw_x・ωw_x_cmd_p+h_x・θbdot_x_s ……05x
Vb_y_s=Rw_y・ωw_y_cmd_p+h_y・θbdot_y_s ……05y
Specifically, the center-of-gravity velocity calculation unit 72 calculates Vb_x_s and Vb_y_s by the following equations 05x and 05y, respectively.
Vb_x_s = Rw_x · ωw_x_cmd_p + h_x · θbdot_x_s ...... 05x
Vb_y_s = Rw_y · ωw_y_cmd_p + h_y · θbdot_y_s …… 05y

これらの式05x,05yにおいて、Rw_x,Rw_yは、前記したように、仮想車輪62_x,62_yのそれぞれの半径であり、これらの値は、あらかじめ設定された所定値である。また、h_x,h_yは、それぞれ倒立振子モデルの質点60_x,60_yの高さである。この場合、本実施形態では、車両の重心点の高さは、ほぼ一定に維持されるものとされる。そこで、h_x,h_yの値としては、それぞれ、あらかじめ設定された所定値が用いられる。   In these expressions 05x and 05y, Rw_x and Rw_y are the respective radii of the virtual wheels 62_x and 62_y as described above, and these values are predetermined values set in advance. H_x and h_y are the heights of the mass points 60_x and 60_y of the inverted pendulum model, respectively. In this case, in the present embodiment, the height of the center of gravity of the vehicle is maintained substantially constant. Therefore, predetermined values set in advance are used as the values of h_x and h_y, respectively.

上記式05xの右辺の第1項は、仮想車輪62_xの速度指令の前回値ωw_x_cmd_pに対応する該仮想車輪62_xのX軸方向の移動速度であり、この移動速度は、車輪体5のX軸方向の実際の移動速度の現在値に相当するものである。また、式05xの右辺の第2項は、基体9がY軸周り方向にθbdot_x_sの傾斜角速度で傾動することに起因して生じる車両系重心点のX軸方向の移動速度(車輪体5に対する相対的な移動速度)の現在値に相当するものである。これらのことは、式05yについても同様である。   The first term on the right side of the formula 05x is the moving speed in the X-axis direction of the virtual wheel 62_x corresponding to the previous value ωw_x_cmd_p of the speed command of the virtual wheel 62_x, and this moving speed is the X-axis direction of the wheel body 5 This corresponds to the current value of the actual movement speed. Further, the second term on the right side of the expression 05x is the movement speed in the X-axis direction of the vehicle system center-of-gravity point caused by the base body 9 tilting at the inclination angular velocity of θbdot_x_s around the Y axis (relative to the wheel body 5). This is equivalent to the current value of the movement speed. The same applies to Formula 05y.

なお、ロータリーエンコーダ56R,56Lの出力を基に計測される電動モータ31R,31Lのそれぞれの回転角速度の計測値(今回値)の組を、仮想車輪62_x,62_yのそれぞれの回転角速度の組に変換し、それらの回転角速度を、式05x、05yのωw_x_cmd_p、ωw_y_cmd_pの代わりに用いてもよい。ただし、回転角速度の計測値に含まれるノイズの影響を排除する上では、目標値であるωw_x_cmd_p、ωw_y_cmd_pを使用することが有利である。   Note that a set of rotational angular velocity values (current value) of the electric motors 31R and 31L measured based on the outputs of the rotary encoders 56R and 56L is converted into a set of rotational angular velocities of the virtual wheels 62_x and 62_y. These rotational angular velocities may be used instead of ωw_x_cmd_p and ωw_y_cmd_p in the expressions 05x and 05y. However, it is advantageous to use the target values ωw_x_cmd_p and ωw_y_cmd_p in order to eliminate the influence of noise included in the measured value of the rotational angular velocity.

制御ユニット50は、以上の如くフィルタ演算部70,71及び重心速度算出部72の処理を実行した後、次に、姿勢制御演算部80の処理を実行する。この姿勢制御演算部80の処理を説明する。   The control unit 50 executes the processing of the filter control units 70 and 71 and the gravity center speed calculation unit 72 as described above, and then executes the processing of the attitude control calculation unit 80. Processing of the attitude control calculation unit 80 will be described.

姿勢制御演算部80には、フィルタ演算部70,71で高周波成分が除去された力計測値Fx1_s,Fx1_sと、ステップS120で取得された開き角度計測値θ1_s,θ2_sと、ステップS110で算出された基体傾斜角計測値θb_xy_s及び基体傾斜角速度計測値θbdot_xy_sと、重心速度算出部72で算出された重心速度推定値Vb_xy_sとが入力される。   The posture control calculation unit 80 calculates the force measurement values Fx1_s and Fx1_s from which the high frequency components have been removed by the filter calculation units 70 and 71, the opening angle measurement values θ1_s and θ2_s acquired in step S120, and the calculation in step S110. The base body tilt angle measured value θb_xy_s, the base body tilt angular velocity measured value θbdot_xy_s, and the center of gravity speed estimated value Vb_xy_s calculated by the center of gravity speed calculator 72 are input.

そして、姿勢制御演算部80は、まず、これらの入力値を用いて、次式07x,07y,08x,08yにより、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_xy_cmd(ωwdot_x_cmd及びωwdot_y_cmd)を算出する。   Then, the attitude control calculation unit 80 first calculates virtual wheel rotation angular acceleration commands ωwdot_xy_cmd (ωwdot_x_cmd and ωwdot_y_cmd) by using the following expressions 07x, 07y, 08x, 08y using these input values.

Figure 2011062474
Figure 2011062474

なお、式07x,07yは車両1aについての式であり、式08x,08y車両1bについての式である。また、K1〜K6,W1〜W3はゲイン係数であり、θsetは開き角度θ1,θ2の目標値であり、biasは、例えば固定値である。   The expressions 07x and 07y are expressions for the vehicle 1a and are expressions for the expression 08x and 08y vehicle 1b. K1 to K6 and W1 to W3 are gain coefficients, θset is a target value of the opening angles θ1 and θ2, and bias is, for example, a fixed value.

従って、本実施形態では、Y軸方向から見た倒立振子モデルの質点60_xの運動(ひいては、Y軸方向から見た車両の重心点の運動)を制御するための操作量(制御入力)としての仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmdと、X軸方向から見た倒立振子モデルの質点60_yの運動(ひいては、X軸方向から見た車両の重心点の運動)を制御するための操作量(制御入力)としての仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_y_cmdとは、それぞれ、式07x,07y,08x,08yの右辺の5つの項を加え合わせることによって決定される。   Therefore, in this embodiment, as an operation amount (control input) for controlling the motion of the mass point 60_x of the inverted pendulum model as viewed from the Y-axis direction (and hence the motion of the center of gravity of the vehicle as viewed from the Y-axis direction). Virtual wheel rotation angular acceleration command ωwdot_x_cmd and the operation amount (control input) for controlling the motion of the mass point 60_y of the inverted pendulum model viewed from the X-axis direction (and the motion of the center of gravity of the vehicle viewed from the X-axis direction) The virtual wheel rotation angular acceleration command ωwdot_y_cmd is determined by adding the five terms on the right side of the expressions 07x, 07y, 08x, and 08y, respectively.

ここで、式07xの右辺の第1項及び第2項は、X軸周り方向での基体傾斜角度計測値θb_x_sと目標値θb_x_objの差分を、フィードバック制御則としてのPD則(比例・微分則)により“0”に収束させる(基体傾斜角度計測値θb_x_sを目標値θb_x_objに収束させる)ためのフィードバック操作量成分としての意味を持つ。これは、式08xの右辺の第1項及び第2項についても同様である。   Here, the first term and the second term on the right side of the expression 07x are the PD law (proportional / differential law) as the feedback control law, which is the difference between the measured base body tilt angle value θb_x_s and the target value θb_x_obj around the X axis. Therefore, it has a meaning as a feedback manipulated variable component for converging to “0” (converging the base body tilt angle measurement value θb_x_s to the target value θb_x_obj). The same applies to the first and second terms on the right side of Expression 08x.

また、式07yの右辺の第1項及び第2項は、Y軸周り方向での基体傾斜角度計測値θb_y_sを比例・微分則により“0”に収束させるためのフィードバック操作量成分としての意味を持つ。これは、式08yの右辺の第1項及び第2項についても同様である。   Also, the first and second terms on the right side of the expression 07y have the meanings as feedback manipulated variable components for converging the base body tilt angle measurement value θb_y_s in the direction around the Y axis to “0” by the proportional / derivative law. Have. The same applies to the first and second terms on the right side of Expression 08y.

また、式07xの右辺の第3項は、重心速度推定値Vb_x_sをフィードバック制御則としての比例則により“0”に収束させるためのフィードバック操作量成分としての意味を持つ。これは、式07y,08x,08yの右辺の第3項についても同様である。   The third term on the right side of the expression 07x has a meaning as a feedback manipulated variable component for converging the center-of-gravity velocity estimated value Vb_x_s to “0” by the proportional law as the feedback control law. The same applies to the third term on the right side of the expressions 07y, 08x, and 08y.

また、式07xの右辺の第4項は、力計測値Fx1_sの低周波成分をフィードバック制御則としての比例則により“0”に収束させるためのフィードバック操作量成分としての意味を持つ。使用者Uが急激ではなくやんわりと車両1a,1bを引っ張る力を車両1a,1bの速度に反映させつつ、歩行による腰の前後の動きや左右の揺れに影響されないようにするため、低周波成分のみを取り出している。これによって、腰の前後の動きや左右の揺れが抑えられ、歩行が安定する。これは、式08xの右辺の第4項についても同様である。   The fourth term on the right side of the expression 07x has a meaning as a feedback manipulated variable component for converging the low frequency component of the force measurement value Fx1_s to “0” by the proportional law as the feedback control law. Low frequency component in order to prevent the user U from pulling the vehicle 1a, 1b gently rather than suddenly to the speed of the vehicle 1a, 1b so as not to be affected by the back and forth movement of the waist and the left and right shaking due to walking. Only take out. As a result, the back and forth movement of the waist and the shaking of the left and right are suppressed, and walking is stabilized. The same applies to the fourth term on the right side of Expression 08x.

また、式07yの右辺の第4項及び第5項は、開き角度計測値θ1_sと目標値θsetの差分を、フィードバック制御則としてのPD則(比例・微分則)により“0”に収束させる(開き角度計測値θ1_sを目標値θsetに収束させる)ためのフィードバック操作量成分としての意味を持つ。これは、式08yの右辺の第4項及び第5項についても同様である。   Further, the fourth and fifth terms on the right side of the expression 07y converge the difference between the measured opening angle value θ1_s and the target value θset to “0” by the PD rule (proportional / differential rule) as a feedback control law ( It has a meaning as a feedback manipulated variable component for converging the measured opening angle value θ1_s to the target value θset). The same applies to the fourth and fifth terms on the right side of Expression 08y.

また、式07xの右辺の第5項は、車両1a,1bが常に使用者Uを少し押すためのバイアスである。これは、式08xの右辺の第5項についても同様である。このバイアスは固定値でもよいし、歩行中に調整できるようにしてもよい。このバイアスが存在することによって、使用者Uが常に押されるようになり、歩行が楽になる。   Further, the fifth term on the right side of the expression 07x is a bias for the vehicles 1a and 1b to always push the user U slightly. The same applies to the fifth term on the right side of Expression 08x. This bias may be a fixed value or may be adjusted during walking. Due to the presence of this bias, the user U is always pushed and walking is facilitated.

姿勢制御演算部80は、上記の如く、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmd,ωwdot_y_cmdを算出した後、次に、これらのωwdot_x_cmd,ωwdot_y_cmdをそれぞれ積分することによって、仮想車輪回転速度指令ωw_x_cmd,ωw_y_cmdを決定する。以上が姿勢制御演算部80の処理の詳細である。   After calculating the virtual wheel rotation angular acceleration commands ωwdot_x_cmd and ωwdot_y_cmd as described above, the attitude control calculation unit 80 then determines the virtual wheel rotation speed commands ωw_x_cmd and ωw_y_cmd by integrating these ωwdot_x_cmd and ωwdot_y_cmd respectively. To do. The above is the details of the processing of the attitude control calculation unit 80.

図12の説明に戻って、制御ユニット50は、次に、姿勢制御演算部80で上記の如く決定した仮想車輪回転速度指令ωw_x_cmd,ωw_y_cmdをモータ指令演算部82に入力し、該モータ指令演算部82の処理を実行することによって、電動モータ31Rの速度指令ω_R_cmdと電動モータ31Lの速度指令ω_L_cmdとを決定する。   Returning to the description of FIG. 12, the control unit 50 next inputs the virtual wheel rotational speed commands ωw_x_cmd, ωw_y_cmd determined by the attitude control calculation unit 80 as described above to the motor command calculation unit 82, and the motor command calculation unit By executing the process 82, the speed command ω_R_cmd of the electric motor 31R and the speed command ω_L_cmd of the electric motor 31L are determined.

具体的には、モータ指令演算部82は、前述した式01a,01bのωw_x,ωw_y,ω_R,ω_Lをそれぞれ、ωw_x_com,ωw_y_com,ω_R_cmd,ω_L_cmdに置き換えて得られる連立方程式を、ω_R_cmd,ω_L_cmdを未知数として解くことによって、電動モータ31R,31Lのそれぞれの速度指令ω_R_com,ω_L_comを決定する。以上によりステップS160の車両制御演算処理が完了する。   Specifically, the motor command calculation unit 82 replaces ωw_x, ωw_y, ω_R, and ω_L in the above-described equations 01a and 01b with ωw_x_com, ωw_y_com, ω_R_cmd, and ω_L_cmd, respectively, and ω_R_cmd and ω_L_cmd as unknown numbers. To determine the speed commands ω_R_com and ω_L_com of the electric motors 31R and 31L. Thus, the vehicle control calculation process in step S160 is completed.

上述したように、制御ユニット50が制御演算処理を実行することによって、基本的には、基体9の姿勢が、基体傾斜角度計測値θb_x_sと目標値θb_x_objの差分が“0”かつ基体傾斜角度計測値θb_y_sが“0”となる姿勢(以下、この姿勢を基本姿勢という)に保たれるように、操作量(制御入力)としての仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_xy_cmdが決定される。   As described above, when the control unit 50 executes the control calculation process, basically, the posture of the base body 9 is such that the difference between the base body tilt angle measurement value θb_x_s and the target value θb_x_obj is “0” and the base body tilt angle measurement is performed. The virtual wheel rotation angular acceleration command ωwdot_xy_cmd as the operation amount (control input) is determined so that the posture where the value θb_y_s is “0” (hereinafter, this posture is referred to as a basic posture).

そして、ωwdot_xy_cmdの各成分を積分してなる仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdを変換してなる電動モータ31R,31Lのそれぞれの回転角速度が、電動モータ31R,31Lの速度指令ω_R_cmd,ω_L_cmdとして決定される。さらに、その速度指令ω_R_cmd,ω_L_cmdに従って、各電動モータ31R,31Lの回転速度が制御される。ひいては車輪体5のX軸方向及びY軸方向のそれぞれの移動速度が、ωw_x_cmdに対応する仮想車輪62_xの移動速度と、ωw_y_cmdに対応する仮想車輪62_yの移動速度とに各々一致するように制御される。   Then, the rotational angular velocities of the electric motors 31R and 31L obtained by converting the virtual wheel rotational angular velocity command ωw_xy_cmd obtained by integrating the components of ωwdot_xy_cmd are determined as the speed commands ω_R_cmd and ω_L_cmd of the electric motors 31R and 31L. Further, the rotational speeds of the electric motors 31R and 31L are controlled according to the speed commands ω_R_cmd and ω_L_cmd. As a result, the moving speeds of the wheel body 5 in the X-axis direction and the Y-axis direction are controlled so as to coincide with the moving speed of the virtual wheel 62_x corresponding to ωw_x_cmd and the moving speed of the virtual wheel 62_y corresponding to ωw_y_cmd, respectively. The

このため、例えば、Y軸周り方向で、実際の基体傾斜角度θb_xが目標値θb_x_objからずれると、そのずれを解消すべく、車輪体5の速度が変化する。また、例えば、X軸周り方向で、実際の基体傾斜角度θb_yが“0”からずれると、そのずれを解消すべく、車輪体5の速度が変化する。   For this reason, for example, when the actual base body tilt angle θb_x deviates from the target value θb_x_obj in the direction around the Y axis, the speed of the wheel body 5 changes to eliminate the deviation. For example, when the actual base body tilt angle θb_y deviates from “0” in the direction around the X axis, the speed of the wheel body 5 changes in order to eliminate the deviation.

このようにして、基体9が基本姿勢から傾くと、その傾いた側に向かって姿勢を戻すように車輪体5の速度が変化することとなる。   In this way, when the base body 9 is tilted from the basic posture, the speed of the wheel body 5 is changed so as to return the posture toward the tilted side.

なお、使用者Uが転倒しそうになった場合には、式07x,08xの第1項により、基体傾斜角度θb_xを目標値θb_x_objに引き戻そうとする制御が働く。また、式07x,08xの第2項により、速度を“0”にしようとする(転倒を止めようとする)制御が働く。あるいは、使用者Uが急に転倒しそうになった場合には、式07x,08xの第4項により、その影響が緩和される。   When the user U is about to fall down, control is performed to return the base body tilt angle θb_x to the target value θb_x_obj according to the first term of the expressions 07x and 08x. In addition, the control to try to set the speed to “0” (try to stop toppling) works according to the second term of the expressions 07x and 08x. Alternatively, when the user U is about to fall down suddenly, the influence is mitigated by the fourth term of the expressions 07x and 08x.

また、制御ユニット50が制御演算処理を実行することによって、基体9の姿勢が、開き角度計測値θ1_s,θ2_sと目標値θsetの差分が“0”となる姿勢に保たれるように、操作量(制御入力)としての仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_y_cmdが決定される。   Further, when the control unit 50 executes the control calculation process, the operation amount is set so that the posture of the base body 9 is maintained in a posture where the difference between the opening angle measured values θ1_s, θ2_s and the target value θset is “0”. A virtual wheel rotation angular acceleration command ωwdot_y_cmd as (control input) is determined.

なお、使用者Uが、自らの意思により例えば右斜め前方に動いた場合、力Fx1が大きくなり、車両1aが車両1bよりも速く動くため、使用者Uは右斜め前方に進むことができる。同様に、使用者Uが、自らの意思により例えば左斜め前方に動いた場合も、使用者Uは左斜め前方に進むことができる。また、使用者Uが右回り又は左回りに回りたい場合に、使用者Uがそのように動くと、開き角度θ1,θ2がθsetになるように制御される。   Note that when the user U moves, for example, diagonally forward right by his / her own intention, the force Fx1 increases, and the vehicle 1a moves faster than the vehicle 1b. Therefore, the user U can move forward diagonally to the right. Similarly, when the user U moves to the left diagonally forward, for example, by his own intention, the user U can move forward diagonally to the left. Further, when the user U wants to turn clockwise or counterclockwise, when the user U moves in this way, the opening angles θ1 and θ2 are controlled to be θset.

上述したように、2台以上の全方向移動車両により歩行中の使用者(装着者)を支持することによって、使用者の脚と全方向移動車両により形成される広い支持基底面が得られるため、歩行の安定性が増す。また、力センサにより検出した力及び角度センサにより検出した角度に基づいて車両制御演算を行うことにより、使用者の歩行が安定するように駆動機構を制御することができるので、使用者の歩行安定性を向上することができる。   As described above, since a user (wearer) who is walking is supported by two or more omnidirectional vehicles, a wide support base surface formed by the user's legs and omnidirectional vehicles can be obtained. , Increase the stability of walking. In addition, since the vehicle control calculation is performed based on the force detected by the force sensor and the angle detected by the angle sensor, the drive mechanism can be controlled so that the user's walking is stabilized. Can be improved.

また、車両制御演算を行って水平面内の開き角度を一定に収束させることにより、使用者が任意の方向に移動した場合でも、使用者と全方向移動車両との位置関係を一定に保つことができる。   In addition, by carrying out vehicle control calculations to converge the opening angle in the horizontal plane uniformly, even if the user moves in any direction, the positional relationship between the user and the omnidirectional vehicle can be kept constant. it can.

また、車両制御演算を行って鉛直面内の基体傾斜角度を所望の時点(例えば使用者がベルト58を装着した時点や、歩行中の一時点)での傾き角度に収束させることにより、全方向移動車両が使用者を押す際の鉛直方向の揺らぎを抑えることができ、装着者の歩行安定性をさらに向上することができる。   Further, the vehicle control calculation is performed so that the base body tilt angle in the vertical plane is converged to the tilt angle at a desired time point (for example, when the user wears the belt 58 or one time point during walking). The fluctuation in the vertical direction when the moving vehicle pushes the user can be suppressed, and the walking stability of the wearer can be further improved.

また、車両制御演算を行って、力の低周波数成分に応じて全方向移動車両の速度を制御することにより、歩行時の細かい動きに伴う揺らぎを抑えることができ、使用者の歩行安定性をさらに向上することができる。   In addition, by performing vehicle control calculations and controlling the speed of omnidirectional vehicles according to the low-frequency component of force, fluctuations associated with fine movements during walking can be suppressed, and the user's walking stability can be reduced. This can be further improved.

以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。   As described above, the embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to the above-described embodiments, and includes design changes and the like without departing from the gist of the present invention. .

1,1a,1b 全方向移動車両(移動体)
5 車輪体(被駆動機構)
7 アクチュエータ装置(駆動部)
9 基体
50 制御ユニット(制御装置)
52 傾斜センサ(角度センサ)
57 6軸力センサ(力センサ)
58 ベルト(係止具)
59a,59b 開き角度センサ(角度センサ)
1, 1a, 1b Omnidirectional moving vehicle (moving body)
5 Wheel body (driven mechanism)
7 Actuator device (drive unit)
9 Base 50 Control unit (control device)
52 Tilt sensor (angle sensor)
57 6-axis force sensor (force sensor)
58 Belt (locking tool)
59a, 59b Opening angle sensor (angle sensor)

Claims (4)

走行面を移動可能な被駆動機構と、前記被駆動機構を駆動する駆動力を発生させる駆動部と、前記被駆動機構および前記駆動部が組み付けられた基体と、を有する倒立振子制御型の移動体を装着者の腰部に少なくとも2台以上係止することができる係止具と、
前記倒立振子制御型の移動体に加わる力を検出する力センサと、
前記倒立振子制御型の移動体の姿勢に係る角度を検出する角度センサと、
前記係止具に係止された少なくとも2台以上の前記倒立振子制御型の移動体と、
前記力センサにより検出した力及び前記角度センサにより検出した角度に基づいて前記駆動部を制御する制御装置と、
を備えた歩行補助システム。
Inverted pendulum control type movement having a driven mechanism capable of moving a traveling surface, a driving unit for generating a driving force for driving the driven mechanism, and a base body on which the driven mechanism and the driving unit are assembled. A locking tool capable of locking at least two bodies to the waist of the wearer;
A force sensor for detecting a force applied to the inverted pendulum control type moving body;
An angle sensor for detecting an angle related to the posture of the inverted pendulum control type moving body;
At least two inverted pendulum control type moving bodies locked to the locking tool;
A control device for controlling the drive unit based on the force detected by the force sensor and the angle detected by the angle sensor;
Walking assistance system with
前記制御装置は、水平方向に対する前記倒立振子制御型の移動体間の開き角度を前記角度センサにより検出し、前記開き角度が一定に収束するように前記駆動部を制御する請求項1に記載の歩行補助システム。   The said control apparatus detects the opening angle between the said inverted pendulum control type moving bodies with respect to a horizontal direction with the said angle sensor, and controls the said drive part so that the said opening angle converges uniformly. Walking assistance system. 前記制御装置は、第1の時点及び第2の時点において、鉛直方向に対する前記倒立振子制御型の移動体の傾き角度を前記角度センサにより検出し、前記第2の時点で検出した前記傾き角度が、前記第1の時点で検出した前記傾き角度に収束するように前記駆動部を制御する請求項1に記載の歩行補助システム。   The control device detects, at the first time point and the second time point, the tilt angle of the inverted pendulum control type moving body with respect to a vertical direction by the angle sensor, and the tilt angle detected at the second time point is The walking assist system according to claim 1, wherein the drive unit is controlled to converge to the tilt angle detected at the first time point. 前記制御装置は、前記力センサにより検出した力の周波数成分に応じて前記駆動部を制御する請求項1に記載の歩行補助システム。   The walking assist system according to claim 1, wherein the control device controls the drive unit according to a frequency component of a force detected by the force sensor.
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