JP4982655B2 - 倒立振子型移動体及び教育教材 - Google Patents

Description

本発明は、搭乗者の体重移動に基づいて前後進を行うことのできる倒立振子型の移動体に関するものである。

互いに独立して駆動されるモータにより各々回転する一対の車輪を備え、搭乗台に乗った搭乗者を含めた搭乗台にかかる重力バランスを検出して各モータの動作を制御し、搭乗台を自立可能とするとともに、搭乗者の前後方向の体重移動を検出することにより前後進の意志及びその程度を推定して搭乗台全体の前後進制御を行う倒立振子型の移動体が実用化されている。

例えば、特許文献１には、ハンドルを設けることなく、搭乗者の意志に沿って操行方向を自由に制御することができるようにした倒立振子型移動体が開示されている。
特許文献１の倒立振子型移動体１００は、図４に示すように、両側の車輪１０３、１０４を駆動するモータ１１５、１１６を設けた基台１０８の上部の中心位置に、上方の搭乗台１０５を前後左右に傾動可能に支持する傾動支持部１１０を設けている。搭乗台１０５には左右に搭乗台傾斜センサ１１３を設け、基台１０８には同様に前後左右に基台傾斜センサ１１４を設けている。
制御装置１１８のバランス制御部１２８は、ジャイロ１２０、基台傾斜センサ１２１等の信号により車輪型倒立振り子の原理によりバランス制御を行って倒立振子型移動体１００を自立させる。
搭乗台１０５に乗った搭乗者が前後方向に所定以上の体重移動を行うときには、基台傾斜センサ１２１の信号とシステム制御部１２６により推定される前後方向の体重移動状態とを検出し、前後進制御部１２７がその傾斜の程度に比例して左右のモータ１１５、１１６を同方向に回転させ、前後進の制御を行う。
搭乗台１０５に乗った搭乗者が左右方向に所定以上の体重移動を行うときには、左右方向に配置した搭乗台傾斜センサ１１３の信号と基台傾斜センサ１１４の信号により、搭乗者の体重移動状態を検出し、操行制御部１２９がその傾斜の程度に比例して左右のモータ１１５、１１６を異なる方向、或いは異なる速度で回転させ、進行方向の制御を行う。

特開２００５−９４８９８号公報

倒立振子型移動体を駆動するモータの制御は、通常、ＰＩＤ制御により実行される。よく知られているように、ＰＩＤ制御は、現在値と設定値の偏差に比例した出力を出す比例動作（Proportional Action：Ｐ動作）と、その偏差の積分に比例した出力を出す積分動作（Integral Action：Ｉ動作）と、偏差の微分に比例した出力を出す微分動作（Differential Action：Ｄ動作）との和を出力し、目標値に向かって制御することを言う。ＰＩＤ制御においては、比例動作、積分動作及び微分動作の各動作の制御パラメータ（フィードバック・ゲイン）が設定される。制御パラメータの値により、モータの制御量や制御の反応の速さが大きくなったり小さくなったりする。
倒立振子型移動体、特に特許文献１に記載されたハンドルを有しない倒立振子型移動体は、搭乗者がつかまるものがないため、不安定な状態で搭乗している。したがって、特定の制御パラメータが設定された倒立振子型移動体を、運動神経が異なる複数人が使用する場合には、当該制御パラメータによる倒立振子型移動体の動作が急峻に感じて、不安を覚える搭乗者もいるし、逆に、当該制御パラメータによる倒立振子型移動体の動作が緩慢に感じることもある。つまり、従来の倒立振子型移動体は、搭乗者の感覚に応じた動作を行うことができなかった。

一方で、特許文献１に開示される倒立振子型移動体は、ハンドルを有していないため、両手を用いて工場内、あるいは農地での作業を行う搭乗者が搭乗する作業用車両に適している。
作業用車両は、搭乗者が作業を行うときには移動を停止する。搭乗者が作業を行うときには、搭乗台１０５が水平状態を保って静止していることが望ましい。ところが、これまで実用化、または提案されている倒立振子型移動体は、専ら移動時の走行性を主眼にした制御を行っており、停止時の安定性について十分な配慮がなされていなかった。したがって、従来の倒立振子型移動体は、搭乗者に対して不安定な状態で作業を強いていた。

本発明は、以上の問題に鑑みて、搭乗者に応じた動作を行なうことのできる倒立振子型移動体を提供することを目的とする。
さらに本発明は、水平状態を安定して保てる倒立振子型移動体を提供することを目的とする。

搭乗者に応じた動作を行なうことのできる倒立振子型移動体を提供するために、本発明は、制御パラメータを調整するスイッチを設けることを提案する。すなわち本発明の倒立振子型移動体は、進行方向に直交する向きに回転軸が同軸上に配置される、独立して回転可能な一対の車輪と、一対の車輪を独立して回転駆動させるモータと、上面に搭乗者が乗る面を有する搭乗台と、進行方向における搭乗台の傾斜角を測定する傾斜センサと、傾斜センサが測定した傾斜角に基づいてモータの回転をＰＩＤ制御する制御手段と、制御手段の制御パラメータを搭乗者が調整可能な調整手段と、を備えている。

上記に加えて、本発明は、倒立振子型移動体のいずれかの部位に設けられた、走行面からの距離を測定する測距センサを備え、制御手段は、傾斜センサで測定された傾斜角に基づいてモータの回転をＰＩＤ制御する走行制御部と、測距センサで測定された走行面からの距離に基づいて、搭乗台が水平状態を保つようにモータの回転をＰＩＤ制御する水平制御部と、を有し、走行制御部による制御と水平制御部による制御とを切り替える。測距センサで測定される距離の情報が安定しているからである。
また本発明の倒立振子型移動体において、搭乗台は、進行方向に対して横向きに搭乗者が乗る面を備えることが、農作業、工場内の作業を行う上で好ましい。
本発明の倒立振子型移動体は、制御手段の制御パラメータを調整することにより制御パラメータの調整を体感できるので、教育教材として有用である。

本発明によれば、制御パラメータを調整する調整手段を備えているので、搭乗者に応じた動作を倒立振子型移動体に行わせることができる。
さらに本発明は、測距センサで測定された走行面からの距離に基づいてモータの回転をＰＩＤ制御するので、水平状態を安定して保てる。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における倒立振子型移動体（以下、単に移動体）１の平面図、図２は図１の２ａ−２ａ矢視断面図である。
移動体１は、基台２の幅方向の両側に、各々の回転軸が同軸上に配置され、独立して回転可能な車輪４、５を備えており、図１中に示す矢印の方向に前後進する。なお、便宜上、図１の左側を前（又は前方）、右側を後（又は後方）ということにする。
基台２には、車輪４、５を各々駆動する第１モータ６、第２モータ７が設けられている。第１モータ６、第２モータ７には、例えばＤＣサーボモータが用いられる。第１モータ６、第２モータ７の回転軸は、基台２の前後方向の中央に設けられている。
基台２には、第１モータ６、第２モータ７の駆動電源である第１バッテリ１１、第２バッテリ１２が設けられている。
また、基台２には、第１モータ６、第２モータ７の駆動を制御する第１モータコントローラ８、第２モータコントローラ９が設けられている。

基台２の上方には、基台２と平行にかつ所定間隔を隔てて搭乗台３が設けられている。搭乗者は、この搭乗台３に乗って移動する。本実施の形態による移動体１は、スケートボード又はスノーボードのように、搭乗者が幅方向を向くこと（以下、横向きという）を前提としており、搭乗台３の前後方向の中央を境にして、搭乗台３の前方側に右足（左足）を、また、搭乗台３の後方側に左足（右足）を配置する。搭乗台３は、搭乗者が横向きに乗るものであることを明確にするために、前後方向の中央に幅方向に延びる突部３ａを形成している。このような形態の凸部３ａがあるため、搭乗者は、移動体１が横向きに乗るものであることを認識し易い。

移動体１は、横向きに乗るので、移動しながら作業するのに適している。例えば、移動体１に乗ったままで移動しながら農産物の収穫作業を行なうことができ、また、工場内の生産ラインに沿って移動しながら作業を行うことができる。ここで、作業を行なう際には移動体１を停止させる必要があるが、作業を正確かつ効率よく行なうために、停止時に搭乗台３が水平状態を保ち、かつ静止していることが望まれる。移動体１は、後述するように、停止時に安定して水平状態を保つ機構を備えている。

移動体１には、搭乗台３の前側の下面に第１測距センサ１３、搭乗台３の後側の下面に第２測距センサ１４が設けられている。第１測距センサ１３、第２測距センサ１４は、搭乗台３の前後方向の中央に対して、等距離の位置に設けられている。第１測距センサ１３、第２測距センサ１４は、各々、第１測距センサ１３から走行面までの距離を測定し、第２測距センサ１４から走行面までの距離を測定する。
移動体１には、基台２上の前後方向の中央に傾斜センサ１５が設けられている。傾斜センサ１５は、基台２（搭乗台３）の前後方向の傾斜角を測定する。傾斜センサ１５は、加速度センサにより構成することができる。
第１測距センサ１３、第２測距センサ１４及び傾斜センサ１５としては、従来公知のセンサを用いることができる。

移動体１には、搭乗台３の凸部３ａ内に主コントローラ１０が設けられている。図３に示されるように、主コントローラ１０は、走行制御部１０ａ、水平制御部１０ｂを備え、主コントローラ１０全体の制御を司るソフトウェアに基づき作動する。走行制御部１０ａは、移動体１の走行開始・停止、前進・後進、走行時の速度を制御する。水平制御部１０ｂは、移動体１が停止状態にあるときに、搭乗台３（基台２）をより安定した状態となるように制御する。こられの制御は、ＰＩＤ制御により実行される。
主コントローラ１０には、第１測距センサ１３及び第２測距センサ１４で測定された距離に関する情報信号が入力される。また、主コントローラ１０には、傾斜センサ１５で測定された傾斜角に関する情報信号が入力される。主コントローラ１０は、入力された距離に関する情報信号及び傾斜に関する情報信号に基づき、第１モータコントローラ８及び第２モータコントローラ９を介して、第１モータ６及び第２モータ７の回転数、回転方向を制御して、移動体１の走行及び停止動作を司る。

移動体１の搭乗台３の凸部３ａ上には、操作部１６が設けられている。操作部１６からの操作信号は主コントローラ１０に入力される。
操作部１６には、移動体１の作動状態をオン・オフするための主スイッチ１６ａが設けられている。搭乗者は、移動体１の使用前に主スイッチ１６ａをオンにして移動体１を作動状態とする。
操作部１６には、制御パラメータ調整スイッチ（調整手段）１６ｂが設けられている。上述したように、移動体１の走行及び停止は、主コントローラ１０によるＰＩＤ制御によって実行される。制御パラメータ調整スイッチ１６ｂは、ＰＩＤ制御における比例動作、積分動作及び微分動作の各動作の制御パラメータ（フィードバック・ゲイン）を、独立して調整、設定するものである。この制御パラメータ調整スイッチ１６ｂを介して、ＰＩＤ制御を解除し、またはＰ制御のみ、ＰＩ制御のみ、ＰＤ制御のみで移動体１が走行・停止することを主コントローラ１０に設定できる。
制御パラメータ調整スイッチ１６ｂにより、制御パラメータを調整することにより、搭乗者の体重移動に対する移動体１の動作を敏感にし、あるいは緩慢にできる。したがって移動体１では、制御パラメータ調整スイッチ１６ｂにより制御パラメータを調整することにより、制御の味付けを搭乗者の好みに合わせて設定することができる。
人間が搭乗可能な倒立振子型移動体の提案は多くなされているが、そのほとんどは走行中の安定性を重視したものである。本実施の形態による移動体１は、停止および停止に至るまでの安定性を重視できる。つまり、搭乗者が停止に至るまでの移動体１の挙動を、搭乗者の好みに合わせて調整できるので、搭乗者に与える安心感を増すことができる。
また、ＰＩＤ制御を学習したい者が制御パラメータを調整しながら移動体１に搭乗すれば、制御の内容を体感できる。したがって、制御パラメータを調整できる移動体１は、制御学習用の教材として有力である。

移動体１は、乗る向きがこれまでの移動体と異なる。移動体１は停止時の水平安定性を重視しているため、進行方向に対して横向きに乗る形態を採用している。この横向きの搭乗は、前進方向に沿った作業対象に対して作業するのに向いている。例えば、作業者は停止した状態で作業対象に対して、なんらかの作業することを想定している。このような停止状態のときには、個人によって好みの制御パラメータが大きく異なることが実験によって判明した。このことに対しても、制御パラメータを容易に変えられることは有効である。

以上のような構成からなる移動体１において、搭乗者が主スイッチ１０ａをオンにして移動体１を作動状態にした後に、搭乗台３に乗ると、傾斜センサ１５は基台２（搭乗台３）の傾斜を検出する。主コントローラ１０の走行制御部１０ａは、傾斜センサ１５で測定された傾斜角に関する情報信号を取得して、第１モータ６、第２モータ７の駆動制御を第１モータコントローラ８、第２モータコントローラ９を介して行い、自立状態を維持する。

また、傾斜センサ１５は、搭乗台３に乗っている搭乗者の前後方向の体重移動による傾斜角を測定する。例えば、移動体１を前進させたいときには、体重を搭乗台３の前側にかける。そうすると、基台２（搭乗台３）は、前側が下がるように傾斜する。主コントローラ１０の走行制御部１０ａは、傾斜角が所定値以上のときには、搭乗者がその向き（前又は後）に走行することを望んでいるものと判断し、第１モータコントローラ８、第２モータコントローラ９に対して、車輪４、５が前進（又は後進）回転するように指令する。走行制御部１０ａは、また、第１モータコントローラ８、第２モータコントローラ９に対して、傾斜の程度に応じた回転数で車輪４、５が回転するように指令して、移動体１が搭乗者の意図する速度で前進（又は後進）するように制御する。

移動体１が前進（後進）している最中に移動体１を停止させたい場合には、搭乗者は搭乗台３の後側に体重を移動させる。そうすると、基台２（搭乗台３）は後側が下がるように傾斜する。走行制御部１０ａは、この傾斜が所定値以上の時には、搭乗者が移動体１の速度を落とすこと、又は搭乗者が移動体１を停止させることを望んでいるものと判断し、第１モータコントローラ８、第２モータコントローラ９に対して、車輪４、５の回転数を下げる（停止も含む）ように指令する。
走行制御部１０ａは、第１モータ６及び第２モータ７の回転が停止したならば、水平制御部１０ｂに向けて静止情報信号を発信する。

本実施の形態における移動体１は、移動体１の走行開始・停止、前進・後進、走行時の速度の制御は、傾斜センサ１５からの傾斜情報信号に基づいて走行制御部１０ａが担うが、停止時に搭乗台３を水平状態に保つための制御を、第１測距センサ１３、第２測距センサ１４からの距離情報信号に基づいて水平制御部１０ｂが担う。
移動体１が走行する面が水平な場合には、以下のようにして水平状態を保つ。
移動体１が停止したならば、走行制御部１０ａから発信された停止情報信号が水平制御部１０ｂに入力され、水平制御部１０ｂが作動する。水平制御部１０ｂは、第１測距センサ１３、第２測距センサ１４に、第１測距センサ１３から走行面までの距離Ｌ１、第２測距センサ１４から走行面までの距離Ｌ２を測定させる。
走行面は水平であるから、第１測距センサ１３で測定される走行面までの距離Ｌ１と第２測距センサ１４で測定される走行面までの距離Ｌ２とが等しければ、搭乗台３は走行面に対して平行であり、かつ水平である。この水平状態を保つことができれば、搭乗台３に乗る搭乗者は作業を安定して行うことができる。したがって、水平制御部１０ｂは、距離Ｌ１と距離Ｌ２とが等しくなるように、第１モータコントローラ８、第２モータコントローラ９に指令する。この指令に基づき、第１モータコントローラ８、第２モータコントローラ９は、各々、第１モータ６、第２モータ７の駆動を制御する。

傾斜センサ１５により測定された傾斜角を用いて搭乗台３を走行面に対して水平になるように制御することもできる。しかし、静止状態では、搭乗台３を走行面に水平に維持しようとして、搭乗者は体重のかけ方を小刻みに変える。これに対応して搭乗台３の傾斜が変動するために、傾斜センサ１５で得られる傾斜情報は不安定である。したがって、傾斜センサ１５で得られた傾斜情報は、水平状態を保つのに向いていない。
これに対して、距離Ｌ１と距離Ｌ２とを等しくなるようにする制御は、第１測距センサ１３、第２測距センサ１４により距離Ｌ１、距離Ｌ２が安定して得られるため、水平状態を保つのに向いている。また、車輪と地面との接地点から搭乗台３の中心の高さは既知とできるので、その高さと等しくなるように制御すれば、第１あるいは第２のいずれか１つの測距センサを用いることも可能である。

以上では２つの測距センサ１３，１４を用いたが、１つの測距センサにより水平状態を保つこともできる。つまり、移動体１が走行面に対して平行であり、かつ水平な状態において、第１測距センサ１３（又は第２測距センサ１４）から走行面までの距離がＬ３で既知とできるので、水平制御部１０ｂは第１測距センサ１３（又は第２測距センサ１４）で得られる走行面までの距離がＬ３になるように、第１モータコントローラ８、第２モータコントローラ９に指令すればよい。

以上では、走行面が水平であることを前提に説明したが、傾斜している走行面についても第１測距センサ１３（又は第２測距センサ１４）で得られた走行面までの距離を用いて、搭乗台３を水平にして移動体１を静止できる。ただし、この場合は、停止直前に傾斜センサ１５で測定された傾斜角をも用いる。つまり、走行面の傾斜角から搭乗面３が水平となる角度を求め、その結果に基づいて水平制御部１０ｂは、第１モータコントローラ８、第２モータコントローラ９に対して指令を出す。

本実施の形態では前後方向へ直進する移動体１について説明した。しかし本発明は、特許文献１に記載されたように、左右に曲がる移動体に適用できる。
また、以上の移動体１は、停止時に水平制御部１０ｂにより水平状態を保つことにしているが、低速走行時にも水平制御部１０ｂにより水平状態を保つことができる。
さらにまた、移動体１は、作業台車に好適であるが、他の如何なる用途にも用いることができる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

本実施の形態における倒立振子型移動体の平面図である。 図１の２ａ−２ａ矢視断面図である。 本実施の形態における倒立振子型移動体の制御系を示す図である。 従来の倒立振子型移動体の構成を示す図である。

符号の説明

１…倒立振子型移動体、
２…基台、
３…搭乗台、
４，５…車輪、
６…第１モータ，７…第２モータ、
８…第１モータコントローラ，９…第２モータコントローラ、
１０…主コントローラ、
１１…第１バッテリ，１２…第２バッテリ、
１３…第１測距センサ，１４…第２測距センサ、
１５…傾斜センサ、
１６…操作部

Claims (3)

1. 進行方向に直交する向きに回転軸が同軸上に配置される、独立して回転可能な一対の車輪と、
   一対の前記車輪を独立して回転駆動するモータと、
   搭乗者が乗る面を有する搭乗台と、
   前記進行方向における前記搭乗台の傾斜角を測定する傾斜センサと、
   前記モータの回転をＰＩＤ制御する制御手段と、
   前記制御手段の制御パラメータを搭乗者が調整可能な調整手段と、
   走行面からの距離を測定する測距センサと、を備え、
   前記制御手段は、前記傾斜センサで測定された傾斜角に基づいて前記モータの回転をＰＩＤ制御する走行制御部と、前記測距センサで測定された前記走行面からの距離に基づいて、前記搭乗台が水平状態を保つように前記モータの回転をＰＩＤ制御する水平制御部と、を有し、前記走行制御部による制御と前記水平制御部による制御とを切り替えることを特徴とする倒立振子型移動体。
2. 前記搭乗台は、前記進行方向に対して横向きに前記搭乗者が乗る前記面を備えることを特徴とする請求項１に記載の倒立振子型移動体。
3. 請求項１または２に記載の倒立振子型移動体からなることを特徴とする教育教材。

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