JP4788412B2 - 倒立振子型移動体 - Google Patents

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Description

本発明は倒立振子型の移動体に関する。詳しくは、駆動部により回転駆動する車輪と、車輪の回転軸回りに回動自在に取付けられたフレームとを有し、駆動部車輪の駆動を制御することで車体を倒立状態に維持する倒立振子型の移動体に関する。ここで、「倒立振子型の移動体」とは、車体の重心が車輪の回転軸より上方に位置し、車輪を駆動制御しないと車体が倒立状態を維持することができない移動体いう。
倒立振子型の移動体は、車輪を駆動制御(すなわち倒立制御)することで車体が倒立状態を維持する。このため、車輪の倒立制御を停止すると車体が倒立状態を維持することができず転倒する。そこで、車輪の倒立制御を停止している間も車体が倒立状態を維持することを可能とした移動体が開発されている(例えば、特許文献1)。
特許文献1に開示された移動体は、車体に対して昇降自在に取付けられた補助輪と、その補助輪を昇降させるアクチュエータを備えている。補助輪は、アクチュエータにより昇降し、倒立制御時には台車の移動の邪魔にならないよう床面と接触しない第2の位置に配置され、倒立制御停止時には床面と接触する第1の位置に配置される。補助輪が第1の位置に配置されると、補助輪が床面と接触し、これにより車体が倒立状態を安定して保つことができる。
特開2004−291799号
ところで、上述した補助輪を昇降させるアクチュエータには、通常、利便性の良さからエアシリンダが用いられている。しかしながら、補助輪を駆動するアクチュエータにエアシリンダを用いた場合、補助輪を降下させる動作や、補助輪が床面に接触し、車体を安定させる動作を行わせるためには、定期的にエアシリンダに対してエアの充填を行う必要が生じる。
本発明は上述した事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、エアシリンダを使用することなく、倒立制御を停止したときに移動体を安定した倒立状態に保つことができる技術を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明の移動体は、駆動部により回転駆動する車輪と、車輪の回転軸に連結されて、車輪の回転軸回りに回動可能なアームと、アームに連結されて、アームが車輪の回転軸回りに回動することによって、車輪の回転軸回りに回動し、かつ、鉛直下向きに補助輪が固定されたフレームと、フレーム上に戴置された車体と、アームを車輪の回転軸回りに回動させる回動部と、車体を倒立状態に維持するように駆動部を制御する第1制御部と、を備えている。この移動体は、アームが車輪の回転軸回りに回動することでフレームが昇降し、補助輪が床面に接触する状態と補助輪が床面に接触しない状態とを切り替えられ、車体はフレームに対して移動体の進行方向に移動自在に戴置されており、車体をフレームに対して移動させるアクチュエータと、そのアクチュエータと駆動部を制御する第2制御部とをさらに備えており、その第2制御部は、回動部を駆動して補助輪が床面に接触する状態から接触しない状態に切り替えられるのに同期してアクチュエータを駆動して車体を移動させることを特徴とする。
本明細書に記載の別の移動体は、駆動部により回転駆動する車輪と、車輪の回転軸回りに回動自在に取付けられ、かつ、鉛直下向きに補助輪が固定されたフレームと、フレーム上に戴置された車体と、フレームを回転軸回りに回動させる回動部と、車体を倒立状態に維持するように駆動部を制御する制御部と、を備えている。そして、フレームが回転軸回りに回動することでフレームが昇降し、補助輪が床面に接触する状態と補助輪が床面に接触しない状態とを切り替えられることを特徴とする。
この移動体では、車体を倒立制御しているときは、車輪の回転軸(すなわち、床面)に対してフレームを上昇させることにより補助輪を床面と接触しない第2の位置に配置することができる。このため、移動体が倒立制御され床面を移動する際に、補助輪が邪魔になることが防止される。一方、車体が倒立制御されていないときは、車輪の回転軸(床面)に対してフレームが下降し、補助輪を床面と接触する第1の位置に配置することができる。補助輪が第1の位置に配置されると、車体が補助輪によって支えられ、車体が倒れることを防止できる。
この移動体では、回動部によってフレームを回動することでフレームを昇降する。このため、フレームの昇降回数に制限はなく、フレームの昇降を繰り返し実行することができる。また、エアシリンダを用いた場合の、エアシリンダに対してエアの充填をする必要もなく、車体の倒立状態を安定して保つことができる。
なお、車体を安定して支えるためには、車輪の前進側と後退側の両者に補助輪があることが好ましい。
また、車体の倒れを安定して防止するためには、補助輪が第1の位置にあるときに、車体の重心位置の床面(接地面)への鉛直方向投影点が、補助輪接地点と車輪接地点のうち前記重心投影点からの距離が大きくなるように選ばれた少なくとも3点の接地点を頂点とする凸多角形内にあることが好ましい。
上記移動体においては、車体はフレームに対して移動体の進行方向に移動自在に戴置されており、車体をフレームに対して移動させるアクチュエータと、そのアクチュエータと駆動部を制御する第2制御部とをさらに備えており、その第2制御部は、回動部を駆動して補助輪が床面に接触する状態から接触しない状態に切り替えられるのに同期してアクチュエータを駆動して車体を移動させることが好ましい。
フレームを回動することで車輪の回転軸に対してフレームを昇降すると、フレームの昇降に伴って回転軸に対する車体の位置が変化し、移動体本体(すなわち車体とフレーム)の重心位置が移動体の進行方向(前方向又は後方向)にずれる。そのため、フレーム上に戴置された車体を移動体の進行方向(台車の重心位置がずれた方向とは逆方向)に移動させることで、移動体の姿勢を安定させる。
下記の実施例に記載の技術の主要な特徴について列記する。
(形態1) コントローラは、車輪を駆動するモータを制御する。コントローラには、移動体の目標位置の偏差、目標速度の偏差及び傾斜角速度が入力され、これらの偏差及び傾斜角速度を小さくするようにモータに制御指令値を出力する。
(形態2) コントローラは、車輪を駆動して移動体を加減速するのに同期して、フレームに対して車体を移動させる。
(形態3) コントローラは、移動体を加速するのに同期して、その加速度に応じた量だけ車体を台車進行方向に移動させる。
(形態4) コントローラは、移動体を減速するのに同期して、その減速度に応じた量だけ車体を反台車進行方向に移動させる。
本発明を具体化した一実施例に係る移動体60を図面に基づいて説明する。まず、移動体60の概略構成について図1,2を参照して説明する。
図1,2に示すように移動体60は、ボディ40と、ボディ40に回転自在に取り付けられた車軸14a,15a(請求項でいう「車輪の回転軸」に相当する、以下同様。)と、車軸14a,15aにそれぞれ固定された車輪14,15を備えている。車軸14a,15aにはモータ18,19(図3に図示)が接続されている。モータ18,19が回転すると車軸14a,15aが回転し、これによって車輪14,15が回転する。モータ18,19は、ボディ40内に収容されたコントローラ50によって制御される。
ボディ40は、フレーム10と、フレーム10上に載置された車体31から構成されている。車体31は、フレーム10に対して移動体60の進行方向前後に移動自在とされている。車体31は、モータ30(図4に図示)の回転に伴って移動する。モータ30もコントローラ50によって制御される。
フレーム10には、補助脚21a〜24aを介して補助輪21〜24がそれぞれ取り付けられている。補助脚21a,23aはフレーム10の前方(移動体60の進行方向前方)に取付けられており、補助脚22a,24aはフレーム10の後方(移動体60の進行方向後方)に取付けられている。補助輪21〜24は、補助脚21a〜24aに対して回転自在に取付けられている。
フレーム10は車軸14a,15aに対して昇降可能となっている。車軸14a,15aに対してフレーム10が上昇した状態では、補助輪21〜24が床面と接触せず、ボディ40は車軸14a,15a,の周りに傾動可能な状態となる。図から明らかなように、フレーム10の重心G10と車体31の重心G31は、いずれも車軸14a,15aより上方に位置し、このため、ボディ40の重心G40も車軸14a,15aより上方に位置する。したがって、コントローラ50がボディ40の傾斜角速度に応じてモータ18,19(すなわち、車輪14,15)を駆動制御することで、ボディ40が倒立状態を維持することができ、また、ボディ40が倒立状態を維持したまま床面を走行することができる。なお、車輪14,15がモータ18,19によって独立して駆動されることから、車輪14,15の回転数を変えることで移動体60の進行方向が制御される。
一方、車軸14a,15aに対してフレーム10が下降した状態では、補助輪21〜24が床面と接触する。このため、コントローラ50によってモータ18,19(すなわち、車輪14,15)を駆動制御しなくても、ボディ40は倒立状態を維持することができる。
次に、車軸14a,15aに対してフレーム10を昇降する機構及びフレーム10に対して車体31をスライド移動させる機構について、図3〜8を参照して詳述する。
図3,4に示すようにフレーム10は、上板10aと、上板10aの下面に固定された軸受け11,12を有している。軸受け11,12は支軸13を回転可能に支持している。支軸13の略中間にはベルト車13aが固定されている。ベルト車13aには、ベルト26を介してモータ25の回転が伝達されるようになっている。
モータ25は上板10aの下面に取付けられている。モータ25が回転すると、その回転がベルト26を介して支軸13に伝達されて支軸13が回転する。モータ25の回転量はエンコーダ25a(図9に図示)によって検出される。エンコーダ25aで検出された回転量はコントローラ50に入力される。コントローラ50は、エンコーダ25aで検出された回転量に基づいてモータ25を制御する。
支軸13の両端にはアーム16,17の基端16a,17aがそれぞれ固定されている。したがって、支軸13が回動すると、アーム16,17も回動する。具体的には、アーム16,17は、図5に示す位置と図6に示す位置との間で回動する。
アーム16,17の先端には軸受部16b,17bがそれぞれ設けられている。軸受部16bには車軸14aが回転可能に支持されている。車軸14aの一端には車輪14が固定されている。車軸14aの他端にはモータ18が接続されている。モータ18が回転すると、車軸14a及び車輪14が回転する。同様に、軸受部17bには車軸15aが回転可能に支持されている。車軸15aの一端には車輪15が固定され、他端にはモータ19が接続されている。モータ19が回転すると、車軸15a及び車輪15が回転する。モータ18,19は、上述したようにコントローラ50によって制御される。
また、上板10aの下面には、補助脚21a〜24aを介して補助輪21〜24が固定されている。すなわち、車輪14と15の接地点を結ぶ線分の中点を中心にして前後左右の合計4箇所で設置可能なように補助輪21〜24が配備されている。補助輪21〜24は、補助脚21a〜24aに対してそれぞれ回転可能に支持されている。
さらに、上板10aの下面には、取付片20aを介してジャイロセンサ20が取付けられている。ジャイロセンサ20は、上板10a(すなわち、ボディ40)の傾斜角速度を検出する。ジャイロセンサ20で検出した傾斜角速度はコントローラ50に入力される。
上述した構成において、倒立制御状態では、フレーム10に固定されたモータ25は、コントローラ50からの角度指令値を維持した状態で停止する。これにより、ベルト26を介してベルト車13aがフレーム10に対して固定されるため、支軸13もフレーム10に対して固定される。そのため、フレーム10は支軸13に固定されたアーム16,17に対して一意の角度を維持することができる。倒立制御時は、フレーム10の上板10aが常に床面と平行な状態(即ち、水平状態)を保つよう、車輪14,15の駆動制御を行う。
フレーム10を車軸14a,15aに対して上昇させる場合には、コントローラ50は、まず、補助輪21〜24を床面に接触した状態のまま倒立制御を開始し、その後にモータ25を回転させてフレーム10を車軸14a,15aに対して上昇させる。また、フレーム10を車軸14a,15aに対して下降させる場合には、コントローラ50は、倒立制御を維持したままモータ25を回転させて、フレーム10を車軸14a,15aに対して下降させる。モータ25が回転すると、その回転がベルト26を介して支軸13に伝達され、支軸13が回転する。支軸13が回転すると、支軸13の両端に固定されたアーム16,17が回転する。アーム16,17が回転すると、アーム16,17の先端に支持された車軸14a,15a及び車輪14,15も回転する。これによって、車軸14a,15aに対して上板10a(すなわち、フレーム10)が昇降する(図5,6参照)。フレーム10を昇降するときは、コントローラ50が倒立制御を行っているため、上板10aは、常に床面に対して平行な状態(即ち、水平状態)を保ちながら昇降する。
フレーム10の昇降量は、モータ25の回転量によって決まる。コントローラ50は、エンコーダ25aによって検出されたモータ25の回転量に基づいてフレーム10の昇降量を制御する。
車軸14aに対して上板10aが上昇して図5に示す状態となると、上板10aに取り付けられた補助輪21〜24が床面から離れた状態となる。このため、移動体60が床面を走行する際に、補助輪21〜24が邪魔になることが防止される。
一方、車軸14aに対して上板10aが下降して図6に示す状態となると、上板10aに取り付けられた補助輪21〜24が床面と接触する。補助輪は、上板10aの前後左右に4箇所配されることから、補助輪21〜24が床面に接触した状態では、ボディ40の重心G40の床面(接地面)への鉛直方向投影点が、補助輪21〜24の床面との接地点を結んだ四角形内に位置する。このため、ボディ40は安定して倒立状態を維持することができる。
また、上板10aの上面にはガイド34a,34bが固定されている。ガイド34a,34bは、上板10aの左右両側に配され、上板10aの前後方向(移動体60の進行方向前後)に伸びている。ガイド34a,34bには、ガイド34a,34bに対してスライド可能にスライダ32,33が取付けられている。スライダ32,33の上面32a,33aには車体31が固定される。したがって、スライド32,33がガイド34a,34bに対してスライドすると、上板10aに対して車体31もスライドする。上板10aの上面中央には、ガイド35が固定されている。ガイド35の上面には車体31がスライド可能に取付けられている。
上板10aの上面中央には支材29が固定されている。支材29には軸受部29bが設けられており、スライド軸27が回転自在に保持されている。スライド軸27にはモータ30が接続されている。モータ30は支材29に取付られている。
スライド軸27の中央には雄ネジが形成されている。スライダ28には雌ネジが形成されている。スライド軸27の雄ネジはスライダ28の雌ネジと螺合する。スライダ28には車体31が取付けられている。このため、スライド軸27が回転すると、スライド軸27に対してスライダ28が前後方向にスライドする。このため、スライダ28,32及び33に取付けられた車体31も前後方向にスライドする。
なお、スライド軸27の一端はモータ30と接続されている。したがって、モータ30が回転するとスライド軸27が回転し、スライダ28,32及び33に取付けられた車体31も前後方向にスライドする(図7,8参照)。モータ30の回転量はエンコーダ30a(図9に図示)によって検出される。エンコーダ30aで検出された回転量はコントローラ50に入力される。コントローラ50は、エンコーダ30aで検出された回転量からフレーム10に対する車体31のスライド量を算出し、そのスライド量に基づいてモータ30を制御する。
次に、上述したように構成される移動体60の制御系について説明する。図9は移動体60の制御系の構成を示す機能ブロック図である。
図9に示すように、移動体60の制御はコントローラ50で行われる。コントローラ50は、(1)モータ18,19を制御することで移動体60の倒立制御及び移動制御を行い、また、(2)モータ25,30を制御することでフレーム10の昇降制御を行う。
すなわち、コントローラ50にはジャイロセンサ20が接続され、ジャイロセンサ20の出力(フレーム10の傾斜角速度)が入力する。コントローラ50には、車輪14,15を駆動するモータ18,19が接続されている。さらに、コントローラ50には、モータ18,19の回転量を検出するエンコーダ18a,19aが接続され、エンコーダ18a,19aで検出されたモータ18,19の回転量が入力する。
移動体60の倒立制御及び移動制御を行う場合、コントローラ50は、エンコーダ18a,19aから入力される検出値に基づいて移動体60の現在の位置及び現在の速度を算出する。そして、位置偏差(別途与えられた目標位置と現在位置の偏差)と速度偏差(別途与えられた目標速度と現在速度の偏差)とジャイロセンサ20で検出された傾斜角速度が「0」となるように、モータ18,19にトルク指令値を出力する。ジャイロセンサ20で検出された傾斜角速度が「0」となるようにモータ18,19が制御されるため、ボディ40の倒立状態が維持される。なお、コントローラ50によるモータ18,19の制御方法については、特許文献1に開示した制御方法を用いることができるため、ここでは、これ以上の詳細な説明は省略する。
また、コントローラ50にはモータ25,30が接続されている。また、コントローラ50には、モータ25,30の回転量を検出するエンコーダ25a,30aが接続され、エンコーダ25a,30aで検出されたモータ25,30の回転量が入力する。
フレーム10の昇降制御を行う場合、コントローラ50は、エンコーダ25aから入力される回転量に基づいてフレーム10の昇降量を算出し、エンコーダ30aから入力される回転量に基づいてフレーム10に対する車体31のスライド量を算出する。そして、算出された昇降量とスライド量が所定の関係を保つように、モータ25,30にトルク指令値を出力する。
次に、フレーム10を昇降制御する際にコントローラ50で実施される処理について図10及び図11を参照して説明する。まず、フレーム10が下降した状態(補助輪21〜24が床面に接触した状態)からフレーム10を上昇した状態(補助輪21〜24が床面と非接触の状態)に移行する際のコントローラ50の処理について説明する。
図10に示すように、コントローラ50は、まず、車輪14,15を駆動するモータ18,19をオン状態にし(ステップS1)、ジャイロセンサ20からの入力に基づく倒立制御を開始する(ステップS2)。これによって、移動体60は補助輪21〜24が無くても倒立状態を維持することが可能となる。
次いで、コントローラ50はフレーム10を昇降するためのモータ25にトルク指令を出力し(ステップS3)、さらに、フレーム10に対して車体31をスライドさせるためのモータ30にトルク指令値を出力する(ステップS4)。これによって、フレーム10は上昇を開始し、車体31はフレーム10に対してスライド移動を開始する。
ここで、ステップS3で出力されるトルク指令値とステップS4で出力されるトルク指令値は、車体31の姿勢が床面に対して垂直となるように予め設定されている。すなわち、図2に示すように、フレーム10を昇降させると、フレーム10の重心位置G10は車軸14a,15aに対してフレーム10の前後方向に移動する。このため、フレーム10に対して車体31をスライド移動させないと、ボディ40の重心G40は車軸14a,15aの鉛直方向とならず、ボディ40が倒立するためにはボディ40が傾斜しなければならない。そこで、ボディ40の重心G40が車軸14a,15aの鉛直方向となるように、フレーム10の昇降量に応じて車体31をスライドさせる。これによって、フレーム10の上昇中もボディ40の姿勢を保つことができる。
ステップS3及びS4でモータ25,30にトルク指令値を出力すると、コントローラ50は、フレーム10の昇降量及び車体31のスライド量が目標量となったか否かを判定する(ステップS5)。昇降量及びスライド量が目標量となっている場合(ステップS5でYES)は、コントローラ50による昇降処理を終了する。一方、昇降量及びスライド量が目標量となっていない場合(ステップS5でNO)は、ステップS3に戻って、ステップS3からの処理を繰り返す。これによって、フレーム10は所定の位置に上昇し(図5に示す状態)、フレーム10に対して車体31は所定の位置(図2(a)に示す状態)となる。
一方、フレーム10が上昇した状態(補助輪21〜24が床面と非接触の状態)からフレーム10を下降した状態(補助輪21〜24が床面と接触した状態)に移行する際のコントローラ50の処理について説明する。
図11に示すように、コントローラ50は移動体60を停止させ(ステップS6)、次いで、フレーム昇降用のモータ25及び上体部スライド用のモータ30にそれぞれトルク指令値を出力する(ステップS7,S8)。ステップS7,S8で出力される各トルク指令値も、車体31の姿勢が床面に対して垂直となるように予め設定されている。
ステップS7及びS8でモータ25,30にトルク指令値を出力すると、コントローラ50は、フレーム10の昇降量及び車体31のスライド量が目標量となったか否かを判定する(ステップS9)。昇降量及びスライド量が目標量となっている場合(ステップS9でYES)は、コントローラ50による昇降処理を終了する。一方、昇降量及びスライド量が目標量となっていない場合(ステップS9でNO)は、ステップS7に戻って、ステップS7からの処理を繰り返す。これによって、フレーム10は所定の位置に下降し(図6に示す状態)、フレーム10に対して車体31は所定の位置(図2(c)に示す状態)となり、ステップS10で倒立制御を停止する。
上述した説明から明らかなように、本実施例の移動体60では、フレーム10に補助輪21〜24が固定され、モータ25でアーム16,17を回動させることでフレーム10を昇降させて、床面に補助輪21〜24が接触する状態と床面に補助輪が接触しない状態とに切り替える。このため、フレーム10の昇降を連続して行うことができ、また、一旦、フレーム10を下降させて補助輪を床面に設置させると、フレーム10の倒立状態を安定して維持することができる。
また、フレーム10の昇降に応じて車体31をスライドさせるため、フレーム10を昇降中もフレーム10及び車体31の姿勢を保つことができる。このため、安定した状態でフレーム10の昇降を行うことができる。
なお、上述した実施例においては、移動体60の加速時に車体31を台車進行方向に移動させて、加速による慣性力を車体31の重心移動で補償することができる。また、移動体60の減速時に車体31を台車進行方向と反対の方向に移動させて、減速による慣性力を車体31の重心移動で補償することができる。移動体60の加減速に応じて車体31の重心移動を行うことで、移動体60をより大きな加速度で移動させても、移動体60の倒立制御を安定化させることができる。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は、複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
本実施例の移動体を模式的に示す斜視図。 移動体の側面図。 本実施例に係る移動体の正面図。 同、移動体の側面図。 同、移動体の倒立制御状態を説明する側面図。 同、移動体の倒立制御停止状態を説明する側面図。 移動体のフレームと車体の駆動機構に関してモデル化した図。 同上。 本実施例の制御系の構成を示す機能ブロック図。 本実施例の制御コントローラの処理手順を示すフローチャート。 本実施例の制御コントローラの処理手順を示すフローチャート。
符号の説明
10:車体
14,15:車輪
16,17:アーム
18,19:移動体駆動用モータ
21から24:補助輪
25:フレーム昇降用モータ
30:車体スライド用モータ

Claims (1)

  1. 駆動部により回転駆動する車輪と、
    車輪の回転軸に連結されて、車輪の回転軸回りに回動可能なアームと、
    アームに連結されて、アームが車輪の回転軸回りに回動することによって、車輪の回転軸回りに回動、かつ、鉛直下向きに補助輪が固定されたフレームと、
    フレーム上に戴置された車体と、
    アームを車輪の回転軸回りに回動させる回動部と、
    車体を倒立状態に維持するように駆動部を制御する第1制御部と、を備えており、
    アーム車輪の回転軸回りに回動することでフレームが昇降し、補助輪が床面に接触する状態と補助輪が床面に接触しない状態とを切り替えられ、
    車体はフレームに対して移動体の進行方向に移動自在に戴置されており、車体をフレームに対して移動させるアクチュエータと、そのアクチュエータと駆動部を制御する第2制御部とをさらに備えており、
    その第2制御部は、回動部を駆動して補助輪が床面に接触する状態から接触しない状態に切り替えられるのに同期してアクチュエータを駆動して車体を移動させることを特徴とする倒立振子型の移動体。
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