JP2011105051A - 移動体 - Google Patents

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Norihiko Kawada
則彦 河田
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Abstract

【課題】不用意な安全確保動作を低減することができる移動体を提供する。
【解決手段】本発明の移動体100は、倒立振子制御によって移動し、外乱の検出時に正常移動動作から安全確保動作に移行する移動体であって、搭乗席11と、搭乗席11に設けられ、搭乗席11に着座した搭乗者の搭乗姿勢を検出する検出部51、52、53と、検出部51、52、53の検出信号に基づいて、正常移動動作から安全確保動作に移行するか否かを判断する判断部(制御ボックス32)と、を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、移動体に関し、特に詳しくは倒立振子制御によって移動し、外乱の検出時に正常移動動作から安全確保動作に移行する移動体に関する。
倒立二輪車両などの倒立車輪型移動体は、通常、左右の駆動輪を駆動して安定状態を維持するように重心位置を修正しつつ、移動を行なうように制御している。さらに、倒立状態を安定させるため、車輪上方に設けられた慣性体を駆動する構成が開示されている(特許文献1)。この倒立車輪型移動体では、走行中に、慣性体をスライド移動させている。これにより、重心位置が車軸の鉛直線上に速やかに移動するため、倒立を安定させることができる。このような倒立車輪型移動体では、例えば、ジャイロセンサからの出力に応じて、倒立状態を維持するように車輪が制御されている。すなわち、前後方向において、移動体全体の重心位置が車軸の上方になるように、車輪を制御する必要がある。
特開2006−205839号公報
倒立車輪型移動体に、搭乗者が座る搭乗席を設けた搭乗型の移動体も開発されている。搭乗型の移動体では、搭乗者が乗っている状態で倒立を安定させるために車輪を駆動する。また、実用上、搭乗者が乗っていない状態でも移動できるようにした方が好ましい。
このような搭乗型の移動体は、重心位置が大きく変化すると、当該重心位置の変化が外乱に起因するものであると判断し、当該移動体の転倒を防ぐために、例えば安全バーを突出させる等の安全確保動作を行う構成とされている。しかし、搭乗型の移動体においては、重心位置の変化が、搭乗者の姿勢変化に起因する場合もあり、外乱に起因するものか、又は搭乗者の姿勢変化に起因するものか、を判別することができず、搭乗者の姿勢変化に起因するものであっても、不用意に正常移動動作から安全確保動作に移行してしまう場合があった。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、不用意な安全確保動作を低減することができる移動体を提供することを目的とするものである。
本発明にかかる移動体は、倒立振子制御によって移動し、外乱の検出時に正常移動動作から安全確保動作に移行する移動体であって、搭乗席と、前記搭乗席に設けられ、前記搭乗席に着座した搭乗者の搭乗姿勢を検出する検出部と、前記検出部の検出信号に基づいて、前記正常移動動作から前記安全確保動作に移行するか否かを判断する判断部と、を備える。これにより、移動体は、搭乗者が姿勢を変化させても、不用意に安全確保動作を実行しない。
前記搭乗席は、シートと、シートバックと、を備え、前記シートに第1検出部が設けられ、前記シートバックに第2検出部が設けられていること、が好ましい。このように第1検出部及び第2検出部を搭乗者と接触し易い部位に配置したので、搭乗者が着座することで作用する圧力を精度良く検出することができる。
フットステップを備え、前記フットステップに第3検出部が設けられていること、が好ましい。このように第3検出部も搭乗者と接触し易い部位に配置したので、搭乗者の足を載置することで作用する圧力を精度良く検出することができる。しかも、第1乃至第3検出部を用いて精度良く搭乗者の搭乗姿勢を検出することができる。
前記検出部は感圧センサであって、前記判断部は、前記感圧センサから入力される検出信号が閾値以下となると、前記正常移動動作を維持すること、が好ましい。
または前記検出部は接触センサであって、前記判断部は、前記接触センサからの検出信号の入力数が閾値以下となると、前記正常移動動作を維持すること、が好ましい。
以上、説明したように、本発明によると、不用意な安全確保動作を低減することができる移動体を提供することができる。
本発明にかかる第1の実施の形態の移動体を示す前方斜視図である。 本発明にかかる第1の実施の形態の移動体を透視して示す前方斜視図である。 本発明にかかる第1の実施の形態の移動体を透視して示す正面図と側面図である。 本発明にかかる第1の実施の形態の移動体に搭乗者が搭乗した状態を示す図である。 本発明にかかる第1の実施の形態の移動体の制御系を示すブロック図である。 本発明にかかる第2の実施の形態の移動体を示す前方斜視図である。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
<第1の実施の形態>
本発明にかかる第1の実施の形態の移動体を説明する。
本実施の形態にかかる移動体は倒立振子制御によって移動する倒立車輪型移動体である。移動体は、地面に接地した車輪を駆動することによって、所定の位置まで移動する。さらに、ジャイロセンサ等からの出力に応じて車輪を駆動することによって、倒立状態を維持することができる。また、移動体は、倒立状態を維持したまま、搭乗者が操作する操作量に応じて移動する。
図1乃至図4を用いて、本実施の形態にかかる移動体100の構成について説明する。図1は移動体100の構成を模式的に示す斜視図である。図2は移動体100の構成を模式的に示す透視斜視図である。図3は移動体100の構成を模式的に示す透視図であり、左側に側面図、右側に正面図が示されている。図4は、移動体100に搭乗者が搭乗した様子を示している。なお、図2、図3に示すように、移動体100の前方向を+X方向とし、左方向を+Y方向とし、上方向を+Z方向としている。
移動体100は、倒立車輪型の移動体(走行体)であり、図3に示されるように、同軸上に配置された右駆動輪18と、左駆動輪20とを備えている。ここで、右駆動輪18と左駆動輪20の回転軸を車軸C1とする。移動体100は、搭乗者が搭乗する搭乗席11を有している。したがって、移動体100は、人が座った状態で移動が可能な、座り乗り型モビリティロボットである。また、移動体100は、人が乗っていない状態でも移動可能である。例えば、搭乗したいユーザが遠隔で操作すると、移動体100がそのユーザの位置まで移動する。例えば、ユーザが呼び出しボタンなどを押すことで、移動体100がユーザの近傍まで移動する。そして、移動体が移動ユーザの前まで移動した後、ユーザが搭乗する。
移動体100には、その骨格となるフレーム10が設けられている。フレーム10は、軽量なアルミニウムパイプなどによって構成されている。さらに、フレーム10を覆うカバー13が設けられている。カバー13は、後述する車台12などを覆っている。移動体100には、椅子形状の搭乗席11が設けられている。搭乗席11は、カバー13やフレーム10に固定されている。フレーム10及びカバー13は、搭乗席11の形状に沿って屈曲している。
搭乗席11は、シート11aと、シートバック11bとを有している。シート11aは、搭乗者80が座る座面となるため、ほぼ水平に配置されている。搭乗者80がシート11aの上に座ることで、図4に示すように搭乗者80が搭乗した状態での移動が可能となる。シートバック11bは、斜め後ろ方向に延びるように形成され、搭乗者80の背中を支える背もたれ部となる。したがって、搭乗者80がシートバック11bにもたれた状態で、移動体100が移動する。
シート11aの上面には、感圧センサを有する第1検出部51が設けられている。さらにシートバック11bの表面には、感圧センサを有する第2検出部52が設けられている。すなわち、第1検出部51は、シート11aにおける搭乗者が着座する部位に配置されている。第2検出部52は、シートバック11bにおける搭乗者がもたれる部位に配置されている。このように第1検出部51及び第2検出部52を搭乗者と接触し易い部位に配置したので、搭乗者が着座することで作用する圧力を精度良く検出することができる。しかも、搭乗者は搭乗姿勢を変化させる際に、臀部や背中部分を動かす可能性が高いので、当該部位に第1検出部51や第2検出部52を配置すると、搭乗者の姿勢変化をより精度良く検出することができる。
これにより、搭乗者が姿勢を変化させた時には、第1検出部51や第2検出部52で検出される圧力が大きく変化した後に、遅れて後述するようにジャイロセンサ33が移動体100の傾斜角度を検出する。一方、移動体100の外乱時には、ジャイロセンサ33が移動体100の傾斜角度を検出した後に、遅れて第1検出部51や第2検出部52で検出される圧力が大きく変化する。これは、搭乗者が姿勢を変化させた時は当該搭乗者が、移動体100の外乱時は当該移動体100が、先に動くので、検出部で検出される圧力変化と移動体100の傾斜角度とに検出時差が生じるのである。そのため、ジャイロセンサ33が移動体100の傾斜角度を検出する前に、第1検出部51や第2検出部52が圧力変化を検出していれば、搭乗席11に着座する搭乗者が姿勢を変化させたことを認識できる。
搭乗席11の直下には、車台12が配置されている。車台12には、右駆動輪18、及び左駆動輪20が取り付けられている。車台12は、右駆動輪18、及び左駆動輪20を回転可能に支持している。右駆動輪18、及び左駆動輪20は、移動体100を移動させるための車輪(駆動輪)となる。右駆動輪18、及び左駆動輪20は、車軸C1周りに回転する。すなわち、右駆動輪18、及び左駆動輪20は同軸上に配置されている。車台12は、フレーム10に取り付けられている。
この車台12には、右駆動輪18、左駆動輪20を駆動するためのモータ(図示せず)等が搭載されている。また、移動体100は倒立車輪型移動体であるため、搭乗席などを含む車体22(上体部)が車軸C1回りに傾斜する。すなわち、搭乗席11などを含む車体22が回転可能に支持されている。車体22は、車軸C1を回転中心として回転する上体部となる。換言すると、車軸C1を回転中心として、傾斜する部分が車体22となる。この車体22は、フレーム10やカバー13や搭乗席11などを含んでいる。さらには、車台12の一部、又は全部が車体22に含まれていてもよい。倒立状態では、右駆動輪18、及び左駆動輪20の駆動によって、車体22の傾斜角が変化する。車体22には、傾斜角度を測定するためのジャイロセンサなどが設けられている。なお、図2に示すように、右駆動輪18と左駆動輪20の中間を座標中心Oとしている。すなわち、座標系の原点となる座標中心Oは、車軸C1上に存在する。移動体100の進行方向は、水平面内において、車軸C1と垂直な方向になる。
車台12の前方には、フットステップ17が設けられている。搭乗者80は、フットステップ17に一度乗った後、搭乗席11に座る。フットステップ17は、搭乗席11の下側に取り付けられている。また、フットステップ17は、搭乗席11の前方に延びている。図4に示すように、フットステップ17には、搭乗者80の両足が載置される。フットステップ17は、車台12に取り付けられている。
フットステップ17の上面には、感圧センサを有する第3検出部53が設けられている。すなわち、第3検出部53は、フットステップ17における搭乗者が足を載置する部位に配置されている。このように第3検出部53も搭乗者と接触し易い部位に配置したので、搭乗者の足を載置することで作用する圧力を精度良く検出することができる。しかも、搭乗者は搭乗姿勢を変化させる際に、足を動かす可能性が高いので、当該部位に第3検出部53を配置すると、搭乗者の姿勢変化をより精度良く検出することができる。
これにより、搭乗者が姿勢を変化させた時には、第3検出部53で検出される圧力が大きく変化した後に、遅れてジャイロセンサ33が移動体100の傾斜角度を検出する。一方、移動体100の外乱時には、ジャイロセンサ33が移動体100の傾斜角度を検出した後に、遅れて第3検出部53で検出される圧力が大きく変化する。そのため、ジャイロセンサ33が移動体100の傾斜角度を検出する前に、第3検出部53が圧力変化を検出していれば、搭乗席11に着座する搭乗者が姿勢を変化させたことを認識できる。
フットステップ17の途中には、転倒を防止するための前方バー(安全バー)14が設けられている。また、車台12の後方には、転倒を防止するための後方バー(安全バー)15が設けられている。すなわち、車軸C1よりも前側に配置された前方バー14、及び車軸C1よりも後ろ側に配置された後方バー15によって、前後方向への転倒を防止することができる。前方バー14は、車台12の前側に突出し、後方バー15は、車台12の後ろ側に突出する。従って、過度に前傾になると、前方バー14の先端が地面と接触し、過度に後傾になると後方バー15の先端が地面と接触する。
前方バー14、及び後方バー15は、回転駆動できるようになっている。前方バー14、及び後方バー15の回転軸は、右駆動輪18、左駆動輪20の車軸C1よりも下側(−Z側)に配置されている。また、前方バー14、及び後方バー15の先端には、補助輪が設けられている。倒立状態において、補助輪を含む前方バー14、及び後方バー15は、地面から離れている。また、搭乗者80が乗り降りするタイミングでは、補助輪を含む前方バー14、及び後方バー15が地面と接触する。
搭乗席11の両側には、アームレスト16が設けられている。アームレスト16は、フレーム10やカバー13に固定されている。アームレスト16は搭乗者80の肘よりも若干低い位置から前方に伸びている。アームレスト16はシート11aよりも高い位置に配置されている。また、アームレスト16はシート11aとほぼ平行になっている。アームレスト16は、搭乗席11の左右両側に、それぞれ配置されている。これにより、搭乗者80は、両腕をアームレスト16上に載置することができる。アームレスト16は、シートバック11bの中段に取り付けられている。図4に示すように、搭乗者80が座った状態で、アームレスト16の上に両腕が載せられる。
さらに、アームレスト16には、操作モジュール21が設けられている。ここでは、操作モジュール21が右側のアームレスト16上に搭載されている。また、操作モジュール21は、アームレスト16の先端側に取り付けられている。これにより、搭乗者80の右手の位置に、操作モジュール21が配置されるため、操作性を向上することができる。操作モジュール21には、操作レバー(図示せず)及びブレーキレバー(図示せず)が設けられている。操作レバーは、搭乗者が移動体100の走行速度や走行方向を調整するための操作部材である、搭乗者は、操作レバーの操作量を調整することによって移動体100の移動速度を調整することができる。また、搭乗者は、操作レバーの操作方向を調整することによって移動体100の移動方向を指定することができる。移動体100は、操作レバーに加えられた操作に応じて、前進、停止、後退、左折、右折、左旋回、右旋回することができる。搭乗者がブレーキレバーを倒すことによって、移動体100を制動することができる。もちろん、操作モジュール21は左側のアームレスト16に搭載してもよく、両側のアームレスト16に搭載してもよい。さらには、アームレスト16以外に操作モジュール21を搭載してもよい。
車台12には、バッテリ31、及び制御ボックス32が搭載されている。バッテリ31、及び制御ボックス32は、車体22の傾斜角度に応じて、車軸C1に対する前後位置が変化する。車台12に設けられているベースプレートの上に、バッテリ31、及び制御ボックス32が載置されている。したがって、バッテリ31、及び制御ボックス32は、シート11aの直下に配置されることになる。ここでは、制御ボックス32の前側に2つのバッテリ31が配置されている。2つのバッテリ31は、Y方向に沿って配列されている。バッテリ31は、充放電可能な二次電池である。制御ボックス32によって、バッテリ31の充放電が制御されている。
制御ボックス32は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、通信用のインターフェースなどを有し、移動体100の各種動作を制御する。そして、この制御ボックス32は、例えばROMに格納された制御プログラムに従って各種の制御を実行する。制御ボックス32は、操作モジュール21での操作に応じて、所望の加速度、及び目標速度になるように、また、移動体100が倒立を維持するように、ロバスト制御、状態フィードバック制御、PID制御などの周知のフィードバック制御により、モータ等を制御する。これにより、移動体100が、操作モジュール21での操作に応じて加減速しながら走行する。
また、バッテリ31、及び制御ボックス32は、車軸C1よりも上方に設置されている。バッテリ31は、車軸C1よりも前側(+X側)に配置され、制御ボックス32は、車軸C1よりも後ろ側(−X側)に配置される。ここでは、制御ボックス32とバッテリ31とが離間して配置されている。すなわち、車軸C1の直上には、一定の隙間を隔てて、バッテリ31と制御ボックス32が対向配置されている。バッテリ31を車軸C1の前側に配置することで、車体22の重心位置を容易に車軸C1の直上に持って来ることができる。搭乗者80の有無に関わらず、同じ傾斜角度で、重心位置が車軸C1のほぼ直上になる。
次に、移動体100の制御系の構成について図5を用いて説明する。図5は、制御ボックス32を含む制御系の構成を示すブロック図である。
制御ボックス32には、車体22に設けられたジャイロセンサ33からの信号が入力されている。すなわち、ジャイロセンサ33で検出した傾斜角度が制御ボックス32に入力されている。制御ボックス32は、当該傾斜角度が所定の閾値以上であると、移動体100が転倒しないように、安全確保動作として、前方バー14、及び後方バー15を突出させる。ジャイロセンサ33は、例えば、車体22に設置されている。具体的には、座標中心Oの近傍において、ジャイロセンサ33は、車台12に固定されている。
また、制御ボックス32には、第1乃至第3検出部51、52、53の検出信号が入力される。制御ボックス32は、例えばROM等に、第1検出部51の検出信号に対する閾値、第2検出部52の検出信号に対する閾値、第3検出部53の検出信号に対する閾値が格納されており、それぞれ第1検出部51からの検出信号と閾値、第2検出部52からの検出信号と閾値、第3検出部53からの検出信号と閾値とを比較する。そして、制御ボックス32は、いずれかの検出部からの検出信号が閾値以下であると、後述するような正常移動動作を維持する。すなわち、例えば搭乗者が腰を浮かせて姿勢を変化させた場合、第1検出部51、及び第2検出部52で検出される圧力は減少する。また、搭乗者が前傾姿勢になった場合、第2検出部52で検出される圧力は減少する。このように、搭乗者が姿勢を変化させると、いずれかの検出部からの検出信号が閾値以下となる。一方で、搭乗者が姿勢を変化させると、制御ボックス32には、ジャイロセンサ33から閾値以上の傾斜角度が入力され、安全確保動作を実行しようとする。そこで、制御ボックス32は、ジャイロセンサ33から移動体100の傾斜角度が入力される前に、いずれかの検出部の圧力変化が入力され、その検出信号が閾値以下であると、安全確保動作を実行させず、正常移動動作を維持させる。つまり、制御ボックス32は、第1乃至第3検出部51、52、53の検出信号に基づいて、正常移動動作から安全確保動作に移行するか否かを判断する判断部として機能する。これにより、移動体100は、搭乗者が姿勢を変化させても、不用意に安全確保動作を実行しない。ここで、本実施の形態では、第1乃至第3検出部51、52、53を用いているので、精度良く搭乗者の搭乗姿勢を検出することができる。
操作モジュール21での操作量が制御ボックス32に入力されている。例えば、前後方向の並進速度や、左右の旋回速度などが操作量として操作モジュール21から入力される。制御ボックス32には、モータ34、36の回転速度がエンコーダ38、39から入力されている。
制御ボックス32は、移動体100に正常移動動作を実行させるべく、これらの入力に基づいて、右駆動輪18、及び左駆動輪20を駆動するモータ34、36に対して指令トルクを出力する。すなわち、モータ34が指令トルクに応じて、右駆動輪18を回転駆動し、モータ36が指令トルクに応じて左駆動輪20を回転駆動する。なお、モータ34,36からの動力は、プーリなどを介して、右駆動輪18、左駆動輪20に伝達されてもよい。
制御ボックス32は、操作モジュール21からの操作量とジャイロセンサ33からの検出信号に基づいて、倒立制御計算を行い、制御目標値を算出する。さらに、制御ボックス32は、モータの現在回転速度と、制御目標値に応じた目標回転速度の偏差を算出する。そして、制御ボックス32は、この偏差に所定のフィードバックゲインを乗じて、フィードバック制御を行う。制御ボックス32は、アンプなどを介して、モータ34、36に駆動トルクに応じた指令値を出力する。これにより、移動体100が、操作量に応じた速度及び方向に移動する。
なお、バッテリ31は、制御ボックス32の各電気機器と、操作モジュール21と、ジャイロセンサ33と、モータ34、36と、エンコーダ38、39等に対して電源を供給している。すなわち、移動体100に搭載された全部、又は一部の電気機器がバッテリ31から供給される電源電圧によって動作する。
<第2の実施の形態>
本発明にかかる第2の実施の形態の移動体を説明する。
本実施の形態にかかる移動体101は、第1の実施の形態の移動体100と略等しい構成とされているが、検出部として接触センサ61を用いている。すなわち、接触センサ61は帯状に形成されている。接触センサ61は、シート11a、シートバック11b、及びフットステップ17の上面に設けられている。接触センサ61は、長辺方向を移動体101のY軸方向に配置した状態で、所定の間隔を開けてX軸方向又はZ軸方向に並列されている。そのため、搭乗者が着座姿勢の場合は、全ての接触センサ61から検出信号が制御ボックス32に入力される。そして、搭乗者が姿勢を変化させると、所定の部位で搭乗者と接触センサ61とが非接触状態となり、制御ボックス32に入力される検出信号が減少する。すなわち、搭乗者が腰を浮かせると、第1検出部として配置した接触センサや第2検出部として配置した接触センサから制御ボックス32に入力される検出信号が減少する。また、搭乗者が前傾姿勢となると、第2検出部として配置した接触センサから入力される検出信号が減少する。このように、接触センサから入力される検出信号の入力数に基づいて、搭乗者の姿勢変化を認識することができる。よって、制御ボックス32は、接触センサから入力される検出信号の入力数が所定の閾値以下であると、正常移動動作を維持させる。したがって、本実施の形態にかかる移動体101も、搭乗者が姿勢を変化させても、不用意に安全確保動作を実行しない。
以上、本発明にかかる移動体の実施形態を説明したが、上記の構成に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。
本実施の形態では、検出部をシート11a、シートバック11b、及びフットステップ17に設けたが、いずれか一箇所に設ければ良い。
本実施の形態では、いずれかの検出部からの検出信号や検出信号の入力数が所定の閾値以下となると、正常移動動作を維持するように制御しているが、いずれかの検出部からの検出信号や検出信号の入力数が所定の閾値以上となると、正常移動動作を維持するように制御しても良い。例えば、搭乗者が前傾姿勢となると第3検出部が検出する圧力が増加するからである。
C1 車軸
O 座標中心
10 フレーム
11 搭乗席、11a シート、11b シートバック
12 車台
13 カバー
14 前方バー
15 後方バー
16 アームレスト
17 フットステップ
18 右駆動輪、20 左駆動輪
21 操作モジュール
22 車体
31 バッテリ
32 制御ボックス
33 ジャイロセンサ
34、36 モータ
38、39 エンコーダ
51 第1検出部、52 第2検出部、53 第3検出部
61 接触センサ
80 搭乗者
100、101 移動体

Claims (5)

  1. 倒立振子制御によって移動し、外乱の検出時に正常移動動作から安全確保動作に移行する移動体であって、
    搭乗席と、
    前記搭乗席に設けられ、前記搭乗席に着座した搭乗者の搭乗姿勢を検出する検出部と、
    前記検出部の検出信号に基づいて、前記正常移動動作から前記安全確保動作に移行するか否かを判断する判断部と、
    を備える移動体。
  2. 前記搭乗席は、シートと、シートバックと、を備え、
    前記シートに第1検出部が設けられ、前記シートバックに第2検出部が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の移動体。
  3. フットステップを備え、
    前記フットステップに第3検出部が設けられていることを特徴とする請求項2に記載の移動体。
  4. 前記検出部は感圧センサであって、
    前記判断部は、前記感圧センサから入力される検出信号が閾値以下となると、前記正常移動動作を維持することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の移動体。
  5. 前記検出部は接触センサであって、
    前記判断部は、前記接触センサからの検出信号の入力数が閾値以下となると、前記正常移動動作を維持することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の移動体。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014015172A (ja) * 2012-07-11 2014-01-30 Aisin Seiki Co Ltd 車両用シート制御装置
JP2016158909A (ja) * 2015-03-03 2016-09-05 学校法人神奈川大学 座位搭乗装置及びクッション型押圧動作検知装置

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