JP2019137250A - 倒立型同軸二輪車両 - Google Patents

Abstract

【課題】搭乗者の体重が小さい場合でも車両の不必要な加減速の繰り返しを抑制することが可能な倒立型同軸二輪車両を提供する。【解決手段】倒立型同軸二輪車両１は、車体に同軸に配置された２つの車輪１１と、２つの車輪１１を駆動する駆動部と、車体の傾きを検出する傾きセンサと、搭乗者Ｈが乗車する位置に設けられ、搭乗者Ｈの体重を検出する荷重センサと、制御部と、を備える。上記制御部は、傾きが大きくなるほど速度を大きくすることで、車体が倒立状態を維持しながら走行するように、上記駆動部を制御する。さらに、上記制御部は、上記傾きセンサで検出された傾きの検出値から高周波の変動成分を除去する除去処理を行う。上記除去処理は、上記荷重センサで検出された体重が小さいほど、除去される高周波の変動成分が大きくなるように除去を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、倒立型同軸二輪車両に関する。

特許文献１には、搭乗者が搭乗し倒立状態を維持して走行する倒立型同軸二輪車両（倒立型の同軸二輪車）に所定動作をさせ、その所定動作に応じて搭乗者が重心移動によりその車両の走行操作を行うような訓練を実行する訓練システムが開示されている。特許文献１に記載の倒立型同軸二輪車両では、車体の前後方向の傾き（車体ピッチ角度）に応じて決まる速度で車体を前進又は後退させている。

特許第５３３８７２６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の倒立型同軸二輪車両では、搭乗者の体重が大きい場合に比べて体重が小さい場合には、車体の傾きの変化に伴う車両速度の変化を示すカーブにおいて、より大きな振幅をもつ振動成分が含まれるようになる。具体的に説明すると、この車両では、車体ピッチ角度に応じて決まる速度を発生させているが、軽い搭乗者の方が重い搭乗者に比べて速度変化が大きくなり、速度変化が大きくなると車体ピッチ角度も変化し易くなる。その結果、この車両では、車体ピッチ角度に応じて決定する速度も振動し易くなる。

そして、このように振動成分が大きな振幅をもつと、搭乗者にとっては車両が脈動しながら走行しているように感じられるほど、車両が不必要に加減速を繰り返す可能性がある。よって、倒立型同軸二輪車両において、搭乗者の体重が小さい場合でも、車両速度の振動成分（車両速度の不必要な変動成分）を抑制すること、つまり車両の不必要な加減速の繰り返しを抑制することが求められる。

そこで、本発明の目的は、搭乗者の体重が小さい場合でも車両の不必要な加減速の繰り返しを抑制することが可能な倒立型同軸二輪車両を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、
車体に同軸に配置された２つの車輪と、
前記２つの車輪を駆動する駆動部と、
前記車体の傾きを検出する傾きセンサと、
前記傾きが大きくなるほど速度を大きくすることで、前記車体が倒立状態を維持しながら走行するように、前記駆動部を制御する制御部と、
搭乗者が乗車する位置に設けられ、前記搭乗者の体重を検出する荷重センサと、
を備え、
前記制御部は、前記傾きセンサで検出された前記傾きの検出値から高周波の変動成分を除去する除去処理を行い、
前記除去処理は、前記荷重センサで検出された前記体重が小さいほど、除去される高周波の変動成分が大きくなるように、除去を行う、
倒立型同軸二輪車両である。

この一態様に係る倒立型同軸二輪車両では、搭乗者の体重が小さいほど、傾きセンサで検出された車両の傾きの検出値から高周波の変動成分を大きく除去している。よって、この一態様に係る倒立型同軸二輪車両によれば、搭乗者の体重が小さい場合でも車両の不必要な加減速の繰り返しを抑制することができる。

本発明によれば、搭乗者の体重が小さい場合でも車両の不必要な加減速の繰り返しを抑制することが可能な倒立型同軸二輪車両を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る倒立型同軸二輪車両の一構成例を概略的に示す側面図である。 図１の倒立型同軸二輪車両における車台部分を示す斜視図である。 図１の倒立型同軸二輪車両の上面図である。 図１の倒立型同軸二輪車両における振動抑制制御の一例を説明するためのフロー図である。 比較例における車体ピッチ速度に応じた前後方向速度の一例を示す図である。 図４の振動抑制制御を行った後の車体ピッチ速度に応じた前後方向速度の一例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係る倒立型同軸二輪車両について、図面を参照しながら説明する。この倒立型同軸二輪車両は、例えば、倒立状態を維持しながら走行して搭乗者の身体機能やバランス機能の訓練を行うための訓練システムに利用することができる。

図１は本実施形態に係る倒立型同軸二輪車両の一構成例を概略的に示す側面図である。図２は、図１の倒立型同軸二輪車両における車台部分を示す斜視図で、図３は、図１の倒立型同軸二輪車両の上面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る倒立型同軸二輪車両１（以下、車両１）は、２つの車輪１１、車台１２、車体の本体１３を備えるとともに、２つの車輪１１を駆動するモータ等の駆動部（図示せず）と、を備える。車両１は、倒立二輪型搭乗装置と称することもできる。

ここで、２つの車輪１１は、本体１３を支える車台１２に同軸に配置されることができる。また、本体１３又は車台１２は、図２及び図３に示すように、搭乗者Ｈが左足、右足を載置するためにそれぞれ設けられたステップ１３Ｌ，１３Ｒを有することができる。このように、車両１は立ち乗り型の同軸二輪車両とすることができる。

また、車両１は、軸部１４及び把持部１５を有するハンドル部を備えることができる。把持部１５は、搭乗者Ｈが把持するための部位である。軸部１４は、その下端部が車台１２に取り付けられ、その上部側に把持部１５が固定されている。また、車両１は、軸部１４の上端部又は把持部１５において、搭乗者Ｈが各種設定操作を行うための操作部１６を備えることができる。

また、図２及び図３に示すように、車両１は、制御部１０、傾きセンサ１７、及び荷重センサ１８Ｌ，１８Ｒを備えることができる。

傾きセンサ１７は、車体の傾きを検出するセンサであり、姿勢センサと称することもできる。傾きセンサ１７としては、例えばジャイロセンサ、加速度センサなど様々な種類のセンサを適用することができる。傾きセンサ１７は、図２及び図３に示すように本体１３に配設することができるが、例えば、軸部１４、把持部１５、操作部１６などに配設することもできる。傾きセンサ１７は、車体の傾きとして少なくとも前後方向の傾き（車体ピッチ角度）を検出できればよく、以下では車体ピッチ角度を検出するセンサであることを前提に説明する。

荷重センサ１８Ｌ，１８Ｒは、搭乗者Ｈが乗車（搭乗）する乗車位置に設けられ、搭乗者Ｈが搭乗したときの垂直方向の荷重（つまり搭乗者Ｈの体重）を検出する。図２及び図３に示すように、この乗車位置はステップ１３Ｌ，１３Ｒの位置（搭乗者Ｈの足元に対応する位置）とすることができる。荷重センサ１８Ｌ，１８Ｒは、例えば、それぞれステップ１３Ｌ，１３Ｒに設けられたシート状の面センサとすることができ、これらの一対の面センサで検出された垂直方向の荷重の合計値により搭乗者Ｈの体重を検出することができる。

制御部１０は、車両１の全体を制御するコントローラで、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、作業用メモリ、及び不揮発性の記憶装置などによって、或いは集積回路（Integrated Circuit）によって実現される。この記憶装置にＣＰＵによって実行される制御プログラムを格納しておき、ＣＰＵがその制御プログラムを作業用メモリに読み出して実行することで、制御部１０の後述する機能を果たすことができる。制御部１０は、この例に限らず、車両１の全体又は少なくとも一部を制御する機能が果たせればよい。

制御部１０は、傾きセンサ１７で検出された傾き（この例では車体ピッチ角度）が大きくなるほど速度を大きくすることで、車体が倒立状態を維持しながら走行するように、上記駆動部を制御する。ここで例示する制御部１０は、車体の前方向への傾きが大きくなるほど前方向（進行方向）への目標速度を大きくし、車体の後ろ方向への傾きが大きくなるほど後ろ方向（後退方向）への目標速度を大きくする。上記駆動部は、制御部１０からの制御に従い、車体ピッチ角度に応じた速度を発生させながら車輪１１を駆動し、車両１を走行させることができる。

このように、車両１は、搭乗者Ｈがステップ１３Ｌ，１３Ｒ上に立った状態で乗車し、搭乗者Ｈが車体を前後に傾けることで（車体を傾けるように重心を前後に移動させることで）、車体ピッチ角度に応じた速度を発生させながら前進後退を行うことができる。

そして、本実施形態の主たる特徴の一つとして、制御部１０は、傾きセンサ１７で検出された傾き（この例では車体ピッチ角度）の検出値から高周波の変動成分を除去する除去処理を行う。ここで、除去される高周波の変動成分は、傾きセンサ１７から時系列で出力される検出値のデータにおいて、車体の傾きが前後に小刻みに変化するような成分を指し、車体ピッチ角度の振動成分と称することができる。

上記除去処理で除去される高周波の変動成分は、例えば、所定以上の高い周波数成分とすることができ、このような除去のために制御部１０は例えばローパスフィルタを備えることができる。この場合、制御部１０は、ローパスフィルタにより上記所定以上の高い周波数成分を除く周波数成分をそのまま通過させ、上記所定以上の高い周波数成分を通過させない又は減衰させることができる。若しくは、制御部１０は、上記所定以上の高い周波数成分を除くような所定範囲の周波数成分をそのまま通過させ、所定範囲以外の周波数成分を通過させない又は減衰させるバンドパスフィルタを備えることもできる。

そして、上記除去処理は、荷重センサ１８Ｌ，１８Ｒで検出された体重が小さいほど、除去される振動成分が大きくなるように、除去を行う。つまり、制御部１０は、荷重センサ１８Ｌ，１８Ｒで検出された体重が小さいほど、傾きセンサ１７の検出値から振動成分を大きく除去する。例えば、制御部１０は、体重が小さいほどローパスフィルタ又はバンドパスフィルタの減衰量を増やすことで、このような除去処理が可能になる。

そして、制御部１０は、上述のような除去処理を行った後の検出値のデータに基づき、車体ピッチ角度が大きくなるほど速度を大きくするように、上記駆動部を制御する。

このような制御では、体重が大きい場合に比べて小さい場合ほど車両ピッチ角度の振動成分が大きく除去された検出値のデータを使用している。よって、このような制御では、車体ピッチ角度の変化に伴う車両速度の変化を示すカーブにおいて、体重が小さい搭乗者Ｈであってもその体重に合わせて車両１の走行速度の振動成分を抑制する（弱める）ことができる。なお、体重が重い搭乗者についても速度変化による車体ピッチ角度の変化によって振動しているが、速度変化が緩やかであるため、車体ピッチ角度の変化も緩やかになり乗車への影響が少ない。よって、搭乗者Ｈの体重が大きい場合には、車体ピッチ速度の振動成分を除去する度合いを体重が小さい場合より少なくしても問題は生じない。

次に、図４〜図６を併せて参照しながら、本実施形態に係る車両１における、体重を考慮した振動抑制制御（振動成分除去制御）の一例について説明する。図４は、車両１における振動抑制制御の一例を説明するためのフロー図である。図５は、この振動抑制制御を行わない比較例における車体ピッチ速度に応じた前後方向速度の一例を示す図で、図６は、この振動抑制制御を行った場合の車体ピッチ速度に応じた前後方向速度の一例を示す図である。

制御部１０は、搭乗者Ｈの体重、つまり荷重が荷重センサ１８Ｌ，１８Ｒにより検出されたか否かを判定し（ステップＳ１）、ＹＥＳになった段階で搭乗が開始されたと判断して速度制御を開始する（ステップＳ２）。

速度制御が開始されると、傾きセンサ１７が車体ピッチ角度を検出して、その検出値を制御部１０に出力する（ステップＳ３）。制御部１０は、上記除去処理として説明したように、バンドパスフィルタ等により、ステップＳ１で検出された体重に応じて車体ピッチ角度の振動成分を除去する（ステップＳ４）。

制御部１０は、振動成分を除去した後の車体ピッチ角度の検出値に基づき、速度計算を行う（ステップＳ５）。ステップＳ５において、速度は車体ピッチ角度より算出されるため、車体ピッチ角度の振動を抑制することで、発生させる速度の振動も軽減される。

このように、振動抑制は、車両１へ搭乗者Ｈが搭乗後、倒立して車体の傾きによる前後移動が開始されてから実行させることになる。そして、倒立後、搭乗者Ｈによる傾ける操作に応じて車体が傾いて速度出力をする際に、体重に応じて車体ピッチ角度の振動成分を除去する。

仮に、ステップＳ４で説明したような車体ピッチ角度変化の抑制を行わない場合又は車体ピッチ角度変化の補正前である場合には、図５に示すように前後方向への目標速度（走行速度も同様）に振幅の大きい振動成分が含まれることになる。これに対し、ステップＳ４で説明した車体ピッチ角度変化の補正後（車体ピッチ角度変化の抑制有り）の場合には、図６に示すようになる。つまり、この場合、図６に示すように、前後方向への目標速度（走行速度も同様）の振動成分がほぼ除去され、搭乗者Ｈの体重差による目標速度の振動成分の差が少なくなっているのが分かる。

ステップＳ５に次いで、制御部１０は、ステップＳ５で計算した速度を上記駆動部に出力する（ステップＳ６）。この出力に応答して、上記駆動部は、車輪１１を駆動し、車両１を走行させる。制御部１０は、ステップＳ６の出力を終えると、速度制御を完了させ（ステップＳ７）、荷重センサ１８Ｌ，１８Ｒでの検出結果を確認して搭乗が終了したか否かを判定する（ステップＳ８）。制御部１０は、ステップＳ８でＹＥＳの場合に処理を終了し、ＮＯの場合にはステップＳ２に戻り速度制御を再開する。

以上に説明したように、本実施形態に係る車両１では、搭乗者Ｈの体重に応じて車体ピッチ角度の振動除去成分を決定し、車体ピッチ角度に応じて決定する目標速度の振動を抑制させることで、前後移動時の走行速度の振動を軽減させることができる。

そして、車両１では、このようにして走行速度の振動成分を抑制するため、軽い搭乗者Ｈであっても、不必要な加減速の繰り返しによって生じ得る、車両１が脈動するような動作を抑制することができる。つまり、車両１によれば、軽い搭乗者Ｈが車両１の脈動を体感できるほど車両速度が小刻みに増減を繰り返すといった事象を抑制することができる。また、車両１では、搭乗者Ｈの体重の違いによる車両速度の変動具合（車両速度の振動成分）の違いを抑制することができる。

また、車両１における上述のような制御では、体重に応じて除去する車両ピッチ角度の振動成分を決定し、間接的に速度を調整することになるため、体重に応じて速度のゲインを直接制御する場合に比べて、発生させたい速度の大きさへの影響が少ない。

さらに、このような車両１を訓練システムに用いることで、搭乗者Ｈの体重が小さい場合の加減速及び静止のし難さが軽減され、訓練効果の向上を図ることができ、また、搭乗者Ｈの体重差による車両１の反応差が少なくなるため、訓練結果を解析し易くなる。

＜代替例＞
次に、本実施形態における代替例について説明する。
本実施形態に係る車両１の各構成部品の形状や配置などは例示したものに限らず、それぞれの機能が果たせればよい。また、上述した除去処理では、基本的に体重が軽いほど重い場合に比べて除去される振動成分が大きくするが、体重が軽い側を含む体重の値域が除去対象となっていればよい。よって、車両１では、体重が一定値以上の場合に除去量を無くすこと、つまり除去処理を行わないようにすることもできる。

また、荷重センサ１８Ｌ，１８Ｒは、単純に搭乗者Ｈの体重を検出するだけでなく、荷重点の位置及び荷重置から搭乗者Ｈの重心位置を示す重心情報を検出するように構成することができる。さらに、荷重センサ１８Ｌ，１８Ｒは、この重心情報として重心位置の移動速度や移動加速度を含むように検出を行うように構成することもできる。荷重センサ１８Ｌ，１８Ｒが重心情報を検出する機能を有する場合、制御部１０は、この重心情報も速度制御に用いることができる。

また、上述した説明では、車両１は、搭乗者Ｈが車体を前後に傾けることで前進後退を行うことを前提としている。しかし、本実施形態に係る車両１は、前進後退だけでなく、搭乗者Ｈが車体を左右に傾けることで左右旋回を行うことができるように構成することもできる。そのため、傾きセンサ１７は、車体ピッチ角度だけでなく、車体ロール角度、さらにはそれらの角速度も検出するような姿勢センサを採用することができる。この構成における制御部１０は、車体ロール角度が大きくなるほど旋回速度を大きくすることで、車体が倒立状態を維持しながら走行するように、上記駆動部を制御すればよい。

さらに、この構成における制御部１０は、検出された車体ロール角度の検出値から高周波の変動成分を除去する除去処理を行うように構成することが望ましい。そして、この除去処理においても、車体ピッチ角度に関する除去処理と同様に、荷重センサ１８Ｌ，１８Ｒで検出された体重が小さいほど、除去される高周波の変動成分が大きくなるように、除去を行うことが望ましい。

また、制御部１０は、バンドパスフィルタ又はローパスフィルタを備える代わりに、時間的な平均値を算出するようなテンポラリフィルタを備えることもできる。この場合、制御部１０は、例えば平均値を算出する期間を体重が小さいほど長くすることができる。なお、この期間が長すぎると車両１の動作の反応が遅くなるが、少なくとも搭乗者Ｈの体重が大きい場合にはこの期間を短く保ち動作の反応速度を速いまま保つことができるため、有益である。

また、車両１を訓練システムに利用した例を挙げたが、車両１の用途は、このような訓練に限ったものではなく、単なる移動用途とすることもできる。また、車両１は立ち乗り型に限らず、搭乗者Ｈの体重を検出できるように荷重センサを設けておけば、座って乗るような同軸二輪車両とすることもできる。

以上に、本実施形態について説明したが、上記実施形態は、以下の特徴を有する。
即ち、上記実施形態に係る倒立型同軸二輪車両１は、車体に同軸に配置された２つの車輪１１と、２つの車輪１１を駆動する駆動部と、車体の傾きを検出する傾きセンサ１７と、搭乗者Ｈが乗車する位置に設けられ、搭乗者Ｈの体重を検出する荷重センサ１８Ｌ，１８Ｒと、を備える。また、この倒立型同軸二輪車両１は、傾きが大きくなるほど速度を大きくすることで、車体が倒立状態を維持しながら走行するように、上記駆動部を制御する制御部１０を備える。さらに、制御部１０は、傾きセンサ１７で検出された傾きの検出値から高周波の変動成分を除去する除去処理を行う。上記除去処理は、荷重センサ１８Ｌ，１８Ｒで検出された体重が小さいほど、除去される高周波の変動成分が大きくなるように、除去を行う。

以上の倒立型同軸二輪車両１では、搭乗者の体重が小さいほど、傾きセンサ１７で検出された車両の傾きの検出値から高周波の変動成分を大きく除去している。よって、この倒立型同軸二輪車両１によれば、搭乗者の体重が小さい場合でも車両の不必要な加減速の繰り返しを抑制することができる。

Ｈ 搭乗者
１ 車両（倒立型同軸二輪車両）
１０ 制御部
１１ 車輪
１２ 車台
１３ 本体
１３Ｌ，１３Ｒ ステップ
１４ 軸部
１５ 把持部
１６ 操作部
１７ 傾きセンサ
１８Ｌ，１８Ｒ 荷重センサ

Claims (1)

1. 車体に同軸に配置された２つの車輪と、
   前記２つの車輪を駆動する駆動部と、
   前記車体の傾きを検出する傾きセンサと、
   前記傾きが大きくなるほど速度を大きくすることで、前記車体が倒立状態を維持しながら走行するように、前記駆動部を制御する制御部と、
   搭乗者が乗車する位置に設けられ、前記搭乗者の体重を検出する荷重センサと、
   を備え、
   前記制御部は、前記傾きセンサで検出された前記傾きの検出値から高周波の変動成分を除去する除去処理を行い、
   前記除去処理は、前記荷重センサで検出された前記体重が小さいほど、除去される高周波の変動成分が大きくなるように、除去を行う、
   倒立型同軸二輪車両。

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