JP2016117335A - 倒立移動体 - Google Patents

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Abstract

【課題】非倒立制御状態から倒立制御状態に精度良く切り替わる倒立移動体を提供する。【解決手段】本発明の一形態に係る倒立移動体1は、使用者が乗車する乗車部2と、駆動輪4と、乗車部2の前後方向への回転角度を検出する姿勢検出部6と、乗車部2の前後方向への回転角度に基づいて、非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わる切り替え条件を満たしているか否かを判定し、切り替え条件を満たしている場合に非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わる制御部8と、を備える倒立移動体である。倒立移動体1は、駆動輪4の前方又は後方に配置され、且つ非倒立制御状態において地面に接地して倒立移動体1を倒立状態に支持可能な支持部5を備える。切り替え条件として、支持部5が地面に接地した状態での乗車部2の前後方向への回転角度からの角度変化量が閾値以上である条件を含む。【選択図】図1

Description

本発明は、倒立移動体に関し、特に、倒立移動体の前後方向への回転角度に基づいて、非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わる倒立移動体に関する。
一般的な倒立移動体は、使用者が倒立移動体に乗車した際に、非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わる。例えば、特許文献1の倒立移動体は、姿勢検出部を用いて倒立移動体の車両軸線が基準軸線に対して成す姿勢角度を検出し、検出した姿勢角度が閾値以下になると、非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わる。
ここで、倒立制御状態とは、倒立移動体が前後方向に回転した際に、倒立状態を維持するように駆動輪を制御する状態であり、非倒立制御状態とは、倒立状態を維持するように駆動輪を制御していない状態である。
特開2012−101637号公報
特許文献1の倒立移動体は、姿勢検出部を用いて倒立移動体の車両軸線が基準軸線に対して成す姿勢角度を検出しているが、温度変化に伴う温度ドリフトや振動などに伴う取り付け精度の低下により、当該姿勢角度を精度良く検出できない可能性がある。そのため、非倒立制御状態から倒立制御状態に精度良く切り替わらない可能性がある。
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、非倒立制御状態から倒立制御状態に精度良く切り替わる倒立移動体を提供する。
本発明の一形態に係る倒立移動体は、
使用者が乗車する乗車部と、
駆動輪と、
前記乗車部の前後方向への回転角度を検出する姿勢検出部と、
前記乗車部の前後方向への回転角度に基づいて、非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わる切り替え条件を満たしているか否かを判定し、前記切り替え条件を満たしている場合に非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わる制御部と、
を備える倒立移動体であって、
前記倒立移動体は、前記駆動輪の前方又は後方に配置され、且つ非倒立制御状態において地面に接地して前記倒立移動体を倒立状態に支持可能な支持部を備え、
前記切り替え条件として、前記支持部が地面に接地した状態での前記乗車部の前後方向への回転角度からの角度変化量が閾値以上である条件を含む。
角度変化量は、温度変化に伴う温度ドリフトが姿勢検出部に生じたり、倒立移動体の振動などによって姿勢検出部の取り付け精度が低下したり、しても、誤差の悪影響を受け難い。そのため、支持部が地面に接地した状態での乗車部の回転角度からの角度変化量に基づいて非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わる構成とすると、非倒立制御状態から倒立制御状態に精度良く切り替わる。
上述の倒立移動体において、前記切り替え条件として、前記支持部が地面に接地した状態での前記乗車部の前後方向への回転角度からの角度変化量が前記閾値以上の状態が、予め設定された期間、連続する条件を含むことが好ましい。
これにより、使用者の乗車状態が安定していない状態で非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わることを抑制できる。
上述の倒立移動体において、
使用者の右脚から前記乗車部に入力される荷重を検出する第1の荷重検出部と、
前記使用者の左脚から前記乗車部に入力される荷重を検出する第2の荷重検出部と、を備え、
前記制御部は、前記第1の荷重検出部及び前記第2の荷重検出部から入力される検出信号が何れか一方の場合、前記第1の荷重検出部及び前記第2の荷重検出部から検出信号が入力される場合に比べて前記期間を長くすることが好ましい。
これにより、使用者の乗車部への乗車状態が片脚状態の場合で、非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わることを抑制できる。また、使用者の乗車部への乗車状態が両脚状態の場合、非倒立制御状態から倒立制御状態に迅速に切り替わる。
上述の倒立移動体において、前記期間を変更する操作部を備え、
前記制御部は、前記操作部の操作信号に基づいて前記期間を変更することが好ましい。
これにより、乗車部の角度変化量が閾値以上の状態が、所定の期間、連続するか否かの判定を実行するか否かを簡単に切り替えることができる。
以上、説明したように、非倒立制御状態から倒立制御状態に精度良く切り替わる倒立移動体を提供することができる。
(a)は、実施の形態1の倒立移動体の非倒立制御状態を模式的に示す図である。(b)は、実施の形態1の倒立移動体の倒立制御状態を模式的に示す図である。 実施の形態1の倒立移動体の制御系を示すブロック図である。 実施の形態1の切り替え動作を示すフローチャート図である。 実施の形態2の切り替え動作を示すフローチャート図である。 (a)は、実施の形態3における乗車部の前後方向への角度変化量と時間と切り替え成否との関係を示す図である。(b)は、実施の形態3における乗車部の前後方向への回転角度と倒立目標角度との差と時間と切り替え成否との関係を示す図である。 実施の形態3の切り替え動作を示すフローチャート図である。 実施の形態4の倒立移動体の制御系を示すブロック図である。 実施の形態4の切り替え動作を示すフローチャート図である。 実施の形態4の倒立切り替え判定期間の変更動作を示す図である。 実施の形態5の倒立移動体の制御系を示すブロック図である。 実施の形態5の切り替え動作を示すフローチャート図である。
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。
<実施の形態1>
先ず、本実施の形態の倒立移動体の構成を説明する。図1(a)は、本実施の形態の倒立移動体の非倒立制御状態を模式的に示す図である。図1(b)は、本実施の形態の倒立移動体の倒立制御状態を模式的に示す図である。図2は、本実施の形態の倒立移動体の制御系を示すブロック図である。
倒立移動体1は、図1(a)、(b)及び図2に示すように、乗車部2、ハンドル3、左右の駆動輪4、支持部5、姿勢検出部6、角度検出部7、制御部8及び電源スイッチ9を備えている。乗車部2は、使用者が乗車する基部であり、例えば使用者が両脚を載せて倒立姿勢で乗車する。
ハンドル3は、倒立移動体1の前進後退方向に対し左右方向に回転可能に乗車部2の前部に設けられている。
左右の駆動輪4は、車輪10、減速機(図示を省略)、及びモータ11を備えており、モータ11の角速度が所望の角速度になるように、制御部8から入力される制御信号に基づいてモータ11が動作する。左右の駆動輪4は、乗車部2に支持されている。
支持部5は、駆動輪4に対して前方又は後方に配置されており、支持部5が地面に接地して倒立移動体1を倒立状態に支持し得る。本実施の形態の支持部5は、駆動輪4の前方で乗車部2から下方に突出しており、倒立移動体1を若干前方に回転させると水平面に接地する。このような支持部5は、具体的な説明は省略するが、制御部8が非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わると、アクチュエータによって地面に接地する部分が地面から離れる構成、又はワイヤやプーリなどによって機構的に地面に接地する部分が地面から離れる構成であることが好ましい。
姿勢検出部6は、倒立移動体1、ひいては乗車部2の前後方向への回転角度θ1を検出する。例えば、乗車部2の回転角度θ1は、乗車部2の上面に対して垂直に延在する基準軸線の傾斜角度であり、乗車部2の上面が水平状態のときが0°である。そして、乗車部2の回転角度θ1は、倒立移動体1の前方への回転を+方向とし、倒立移動体1の後方への回転を−方向とする。
姿勢検出部6は、乗車部2の回転角度θ1を示す検出信号を制御部8に出力する。姿勢検出部6としては、一般的な姿勢検出装置を用いることができ、例えばジャイロセンサや加速度センサなどを用いることができる。
角度検出部7は、ハンドル3における倒立移動体1の左右方向への回転角度θ2を検出する。角度検出部7は、ハンドル3の回転角度θ2を示す検出信号を制御部8に出力する。角度検出部7としては、一般的な角度検出装置を用いることができ、例えばエンコーダなどを用いることができる。
制御部8は、姿勢検出部6から入力される検出信号に基づいて、左右の駆動輪4のモータ11を制御して倒立移動体1の倒立状態を維持する。また、制御部8は、角度検出部7から入力される検出信号に基づいて、左右の駆動輪4のモータ11を制御して倒立移動体1の左右方向への旋回を実現する。さらに、制御部8は、詳細は後述するが、姿勢検出部6から入力される乗車部2の回転角度θ1に基づいて、非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わる切り替え条件を満たしているか否かを判定し、当該切り替え条件を満たしている場合に非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わる。
電源スイッチ9は、制御部8を稼働させるために使用者に操作されるスイッチである。
次に、本実施の形態の倒立移動体1の非倒立制御状態から倒立制御状態への切り替え動作(以下、単に切り替え動作と省略する場合がある。)を説明する。図3は、本実施の形態の切り替え動作を示すフローチャート図である。
先ず、図1(a)に示すように支持部5が地面に接地した状態で、使用者が乗車部2に乗車して電源スイッチ9をON状態に操作する。これにより、制御部8は、姿勢検出部6から支持部5が地面に接地した状態での乗車部2の回転角度θ1を取得する(S1)。このとき、制御部8は未だ非倒立制御状態である。
そして、制御部8は、使用者が乗車部2に乗車した状態の当該乗車部2の回転角度θ1を取得する(S2)。このとき、倒立移動体1が非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わるように、使用者は倒立移動体1を前方又は後方に回転させる。本実施の形態では、図1(b)に示すように、使用者は乗車部2の回転角度θ1が0°になるように、倒立移動体1を後方に回転させる。
次に、制御部8は、支持部5が地面に接地した状態での乗車部2の回転角度θ1からの角度変化量θ3を算出する(S3)。つまり、制御部8は、支持部5が地面に接地した状態を基準(即ち、0°)とした現在の乗車部2の回転角度を算出する。
次に、制御部8は、非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わる切り替え条件を満たしているか否かを判定する(S4)。本実施の形態の制御部8は、算出した角度変化量θ3が第1の閾値以上であるか否かを判定する。そして、制御部8は、算出した角度変化量θ3が第1の閾値より小さい場合、S2の工程に戻る(S4のNO)。一方、制御部8は、算出した角度変化量θ3が第1の閾値以上の場合(S4のYES)、非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わる(S5)。ここで、第1の閾値は、姿勢検出部6の検出精度に基づいて適宜、設定されるが、支持部5が地面から離れる角度変化量より大きな角度変化量に設定すればよい。
このように本実施の形態では、支持部5が地面に接地した状態での乗車部2の回転角度θ1からの角度変化量θ3に基づいて非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わる。角度変化量θ3は、温度変化に伴う温度ドリフトが姿勢検出部6に生じたり、倒立移動体1の振動などによって姿勢検出部6の取り付け精度が低下したり、しても、誤差の悪影響を受け難い。そのため、本実施の形態の倒立移動体1は、非倒立制御状態から倒立制御状態に精度良く切り替わる。
なお、本実施の形態では、電源スイッチ9をON状態とすることで制御部8が乗車部2の回転角度θ1を取得しているが、乗車部2に設けられた使用者の乗車を検出する検出装置(例えば、荷重センサ)から検出信号が制御部8に入力されると、制御部8が乗車部2の回転角度θ1を取得してもよい。
<実施の形態2>
図4は、本実施の形態の切り替え動作を示すフローチャート図である。なお、実施の形態1と重複する説明は省略し、等しい要素には等しい符号を用いて説明する。
本実施の形態は、実施の形態1と略等しいが、切り替え条件として、さらに乗車部2の回転角度θ1と倒立目標角度との差が第2の閾値以下である条件を含む。詳細には、本実施の形態の切り替え動作は、S4の工程の後に、制御部8が、乗車部2の回転角度θ1と倒立目標角度(例えば、0°)との差を算出する(S21)。
次に、制御部8は、乗車部2の回転角度θ1と倒立目標角度との差が第2の閾値以下か否かを判定する(S22)。ここで、本実施の形態の第2の閾値は、倒立目標角度に対して+側と−側とに夫々設定される。例えば、第2の閾値は、倒立目標角度に対して+側と−側とに夫々、倒立制御状態において乗車部2に乗車している使用者が当該乗車部2を前後方向に回転させる角度より大きな角度で設定される。そのため、制御部8は、乗車部2の回転角度θ1と倒立目標角度との差が所定の角度範囲以内か否かを判定することになる。
制御部8は、乗車部2の回転角度θ1と倒立目標角度との差が第2の閾値を越えている場合(S22のNO)、S2の工程に戻る。一方、制御部8は、乗車部2の回転角度θ1と倒立目標角度との差が第2の閾値以下の場合(S22のYES)の場合、非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わる(S5)。
このように本実施の形態では、乗車部2の角度変化量θ3に加えて、乗車部2の回転角度θ1と倒立目標角度との差に基づいて、制御部8が非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わるので、誤って非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わることを抑制できる。
<実施の形態3>
図5(a)は、本実施の形態における乗車部の前後方向への角度変化量と時間と切り替え成否との関係を示す図である。図5(b)は、本実施の形態における乗車部の前後方向への回転角度と倒立目標角度との差と時間と切り替え成否との関係を示す図である。図6は、本実施の形態の切り替え動作を示すフローチャート図である。なお、実施の形態1などと重複する説明は省略し、等しい要素には等しい符号を用いて説明する。
本実施の形態は、図6に示すように、実施の形態2と略等しいが、切り替え条件として、さらに乗車部2の角度変化量θ3が第1の閾値以上であって、且つ乗車部2の回転角度θ1と倒立目標角度との差が第2の閾値以下の状態が、所定の期間(倒立切り替え判定期間)、連続している条件を含む。
詳細には、本実施の形態の切り替え動作は、S22の工程の後に、制御部8が、乗車部2の角度変化量θ3が第1の閾値以上であって、且つ乗車部2の回転角度θ1と倒立目標角度との差が第2の閾値以下の状態が、倒立切り替え判定期間、連続しているか否かを判定する(S31)。
制御部8は、乗車部2の角度変化量θ3が第1の閾値以上であって、且つ乗車部2の回転角度θ1と倒立目標角度との差が第2の閾値以下の状態が、倒立切り替え判定期間、連続していない場合(S31のNO)、S2の工程に戻る。
一方、制御部8は、図5(a)及び(b)に示すように、乗車部2の角度変化量θ3が第1の閾値以上であって、且つ乗車部2の回転角度θ1と倒立目標角度との差が第2の閾値以下の状態が、倒立切り替え判定期間、連続している場合(S31のYES)、非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わる(S5)。
例えば、バランス能力欠如者が倒立移動体に乗車した場合、ふらつきが大きいが、このような場合であっても、本実施の形態では、乗車部2の角度変化量θ3が第1の閾値以上であって、且つ乗車部2の回転角度θ1と倒立目標角度との差が第2の閾値以下の状態が、倒立切り替え判定期間、連続することを切り替え条件として含むので、使用者の乗車状態が安定していない状態で非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わることを抑制できる。
<実施の形態4>
図7は、本実施の形態の倒立移動体の制御系を示すブロック図である。なお、実施の形態1などと重複する説明は省略し、等しい要素には等しい符号を用いて説明する。
本実施の形態の倒立移動体41は、実施の形態1の倒立移動体1の構成に加えて、第1の荷重検出部42R及び第2の荷重検出部42Lを備えている。第1の荷重検出部42Rは、使用者が乗車部2に搭乗した際に当該使用者の右脚から入力される荷重を検出する。第2の荷重検出部42Lは、使用者が乗車部2に搭乗した際に当該使用者の左脚から入力される荷重を検出する。これらの第1の荷重検出部42R及び第2の荷重検出部42Lは、乗車部2に設けられており、各々の検出信号を制御部8に出力する。
そして、詳細は後述するが、制御部8は、第1の荷重検出部42R及び第2の荷重検出部42Lから入力される検出信号に基づいて、実施の形態3の倒立切り替え判定期間を変更する。
次に、本実施の形態の切り替え動作を説明する。図8は、本実施の形態の切り替え動作を示すフローチャート図である。図9は、本実施の形態の倒立切り替え判定期間の変更動作を示す図である。
本実施の形態の切り替え動作は、図8に示すように、実施の形態3と略等しく、S22の工程の後に、制御部8が倒立切り替え判定期間を変更するS41の工程を有する。詳細には、S41の工程は、図9に示すように、先ず、制御部8は、第1の荷重検出部42R及び第2の荷重検出部42Lから検出信号を取得する(S411)。
次に、制御部8は、第1の荷重検出部42R及び第2の荷重検出部42Lから入力される検出信号が示す荷重が夫々、第3の閾値以上か否かを判定し、使用者の乗車部2への乗車状態が片脚状態か両脚状態かを判定する(S412)。
次に、制御部8は、使用者の乗車部2への乗車状態が両脚状態の場合、倒立切り替え判定期間を短縮し(S413)、S31の工程に移行する。一方、制御部8は、使用者の乗車部2への乗車状態が片脚状態の場合、倒立切り替え判定期間を延長し(S414)、S31の工程に移行する。
このように本実施の形態では、片脚状態か両脚状態かの判定結果に基づいて、倒立切り替え判定期間を変更する。そのため、使用者の乗車部2への乗車状態が片脚状態の場合において、非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わることを抑制できる。また、使用者の乗車部2への乗車状態が両脚状態の場合において、迅速に非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わる。
なお、本実施の形態では、荷重検出部を用いて使用者の乗車状態を判定したが、左右の脚部が乗車部2に乗車したことを検出できるものであればよく、例えば、接触センサなどを用いて使用者の乗車状態を判定してもよい。
<実施の形態5>
図10は、本実施の形態の倒立移動体の制御系を示すブロック図である。なお、実施の形態1などと重複する説明は省略し、等しい要素には等しい符号を用いて説明する。
本実施の形態の倒立移動体51は、実施の形態1の倒立移動体1の構成に加えて、倒立切り替え判定期間を変更する操作部52を備えている。操作部52は、使用者によって操作されるものであって、本実施の形態では、使用者が操作部52をON状態にすると、乗車部2の角度変化量θ3が第1の閾値以上であって、且つ乗車部2の回転角度θ1と倒立目標角度との差が第2の閾値以下の状態が、倒立切り替え判定期間、連続するか否かの判定を実行しないように、制御部8に指令信号を出力する。
一方、使用者が操作部52をOFF状態にすると、乗車部2の角度変化量θ3が第1の閾値以上であって、且つ乗車部2の回転角度θ1と倒立目標角度との差が第2の閾値以下の状態が、倒立切り替え判定期間、連続するか否かの判定を実行するように、制御部8に指令信号を出力する。
但し、本実施の形態の操作部52は、乗車部2の角度変化量θ3が第1の閾値以上であって、且つ乗車部2の回転角度θ1と倒立目標角度との差が第2の閾値以下の状態が、倒立切り替え判定期間、連続するか否かの判定を実行するか否かを切り替えているが、例えば、タッチパネルなどによって倒立切り替え判定期間を短縮又は延長する構成とされていてもよい。
次に、本実施の形態の切り替え動作を説明する。図11は、本実施の形態の切り替え動作を示すフローチャート図である。本実施の形態の切り替え動作は、実施の形態3と略等しく、S22の工程の後に、制御部8は、操作部52がON状態かOFF状態かを判定する(S51)。操作部52がON状態の場合、制御部8はS5の工程に移行する。一方、操作部52がOFF状態の場合、制御部8はS31の工程に移行する。
このように本実施の形態では、操作部52の状態に応じて、乗車部2の角度変化量θ3が第1の閾値以上であって、且つ乗車部2の回転角度θ1と倒立目標角度との差が第2の閾値以下の状態が、倒立切り替え判定期間、連続するか否かの判定を実行するか否かを簡単に切り替えることができる。
<実施の形態6>
なお、制御部8は、倒立切り替え判定期間内に倒立移動体1が倒立目標角度(例えば、0°)より後方に回転、又は倒立移動体1の回転角度θ1が倒立目標角度に到達すると、切り替え条件を満たしたと判定し、非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わることが好ましい。これにより、倒立切り替え判定期間内において倒立移動体の後方への転倒を抑制することができる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に限らず、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。
上記実施の形態の倒立移動体は、使用者が乗車部に倒立姿勢で乗車しているが、乗車部が着座部であってもよい。また、左右の駆動輪を有するが、駆動輪が一つでもよい。
上記実施の形態では、乗車部2の角度変化量θ3が第1の閾値以上であって、且つ乗車部2の回転角度θ1と倒立目標角度との差が第2の閾値以下の状態が、倒立切り替え判定期間、連続するか否かを判定しているが、乗車部2の角度変化量θ3が第1の閾値以上である状態が、倒立切り替え判定期間、連続すると、非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わってもよい。
1 倒立移動体
2 乗車部
3 ハンドル
4 駆動輪
5 支持部
6 姿勢検出部
7 角度検出部
8 制御部
9 電源スイッチ
10 車輪
11 モータ
41 倒立移動体
42R 第1の荷重検出部、42L 第2の荷重検出部
51 倒立移動体
52 操作部
θ1 乗車部の回転角度
θ2 ハンドルの回転角度
θ3 角度変化量

Claims (4)

  1. 使用者が乗車する乗車部と、
    駆動輪と、
    前記乗車部の前後方向への回転角度を検出する姿勢検出部と、
    前記乗車部の前後方向への回転角度に基づいて、非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わる切り替え条件を満たしているか否かを判定し、前記切り替え条件を満たしている場合に非倒立制御状態から倒立制御状態に切り替わる制御部と、
    を備える倒立移動体であって、
    前記倒立移動体は、前記駆動輪の前方又は後方に配置され、且つ非倒立制御状態において地面に接地して前記倒立移動体を倒立状態に支持可能な支持部を備え、
    前記切り替え条件として、前記支持部が地面に接地した状態での前記乗車部の前後方向への回転角度からの角度変化量が閾値以上である条件を含む、倒立移動体。
  2. 前記切り替え条件として、前記支持部が地面に接地した状態での前記乗車部の前後方向への回転角度からの角度変化量が前記閾値以上の状態が、予め設定された期間、連続する条件を含む、請求項1に記載の倒立移動体。
  3. 使用者の右脚から前記乗車部に入力される荷重を検出する第1の荷重検出部と、
    前記使用者の左脚から前記乗車部に入力される荷重を検出する第2の荷重検出部と、を備え、
    前記制御部は、前記第1の荷重検出部及び前記第2の荷重検出部から入力される検出信号が何れか一方の場合、前記第1の荷重検出部及び前記第2の荷重検出部から検出信号が入力される場合に比べて前記期間を長くする、請求項2に記載の倒立移動体。
  4. 前記期間を変更する操作部を備え、
    前記制御部は、前記操作部の操作信号に基づいて前記期間を変更する、請求項2に記載の倒立移動体。
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