JP5028488B2 - 倒立二輪型搬送車及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、荷物もしくは人の運搬作業を行う搬送車であって、本来不安定な機体を平衡させて荷物もしくは人を安定に運ぶための機構技術及び制御技術を備えた倒立二輪型搬送車に関する。また、本発明は、倒立二輪型搬送車で坂道を登り降りするときにも、荷物もしくは人の重量物を搭載する荷台を常に水平に維持して安定した姿勢で走行できる倒立二輪型搬送車に関する。さらに、本発明は、倒立二輪型搬送車の走行経路に段差があっても、段差の乗り越え走行を安定した姿勢で行うことができる倒立二輪型搬送車に関する。

従来の倒立二輪型搬送車としては、不安定な機体を制御技術によって平衡を維持しながら荷物もしくは人を安定に運ぶものがあった（例えば、特許文献１参照）。図２７及び図２８は、前記特許文献１に記載された従来の倒立二輪型搬送車を示すものである。

図２７及び図２８において、車軸１０１の両端には一対の車輪１０２，１０３が止着されており、車軸１０１には四角枠形状の車体１０４が傾動可能に支持されている。車体１０４の上部には、支軸１０５が回動可能に架設支持されており、支軸１０５の中央には、姿勢制御アーム１０６が吊下固定されているとともに、姿勢制御アーム１０６の下端には、重錘１０６ａが取り付けられている。

重錘１０６ａ直下にて車体１０４には、正逆転可能な車輪駆動用モータ１０７が装着されており、その駆動軸１０７ａと車軸１０１との間には、減速歯車列１０８が介在されている。これにより、車輪駆動用モータ１０７の回転駆動が減速して車軸１０１に伝達され、車輪１０２，１０３が正逆回転する。支軸１０５の直上にて車体１０４には、正逆転可能な姿勢制御アーム駆動用モータ１０９が装着されており、その駆動軸１０９ａと支軸１０５との間には、減速歯車列１１０が介在されている。これにより、姿勢制御アーム駆動用モータ１０９の回転が減速されて支軸１０５に伝達され、姿勢制御アーム１０６が前後に揺動される。

車体１０４の一側面には、第１のロータリエンコーダ１１１が設けられており、その回転軸１１１ａが車軸１０１の延長線上に設定されている。回転軸１１１ａには、一対の接触片１１２，１１３が直角状態に取付けられており、それらの先端が床面に摺動可能に接触している。これにより、鉛直線に対する車体１０４の傾斜角が検出される。車輪駆動用モータ１０７には、第２のロータリエンコーダ１１４が装着されていると共に、姿勢制御アーム駆動用モータ１０９には、第３のロータリエンコーダ１１５が装着されており、両モータ１０７，１０９の回転角度、すなわち車輪１０２，１０３の回転角度、鉛直線に対する傾斜角及び姿勢制御アーム１０６の車体１０４に対する角度が検出される。車体１０４の下部には、マイクロコンピュータからなる制御コンピュータ１１６が搭載されており、上記各ロータリエンコーダ１１１，１１４，１１５の検出信号が入力される。

制御コンピュータ１１６は、入力信号に基づいて車輪駆動用モータ１０７及び姿勢制御アーム駆動用モータ１０９の制御トルクを算出し、これら制御トルク相当の作動を車輪駆動用モータ１０７及び姿勢制御アーム駆動用モータ１０９に指令する。具体的には、エンコーダ１１１，１１４，１１５により検出される角度は、ロボット（倒立二輪型搬送車）の姿勢を表す状態変数となるので、ロボットの力学モデルを適用し、これらの値に、予め姿勢を安定化する最適レギュレータ問題として算出した状態フィードバック係数を掛け合わせ、車輪駆動用モータ１０７及びアーム駆動用モータ１０９に対する制御トルクが求められる。この結果、車体１０４が傾動すれば、車輪１０２，１０３が車体１０４の傾動方向に向かって移動するとともに、姿勢制御アーム１０６が車体１０４の傾動方向と反対側へ回動し、車体１０４の水平バランス復元が確実に行われる。

また、従来の他の倒立搬送車としては、特許文献２に開示される倒立搬送車がある。図２９は、特許文献２に記載された従来の倒立搬送車を示す図である。

図２９において、椅子形状搬送装置３３１は、略球形状の球状回転体３３７と、球状回転体３３７上に設けられた筐体３３３と、操車者を保持するための座席３３４と、椅子形状搬送装置３３１の重心位置を変更するための第１カウンタウェイト部３４９ｃ及び第２カウンタウェイト部３４９ｂとを有する。

筐体３３３には、球状回転体３３７を駆動する図示しない駆動部及び制御部と、筐体３３３の姿勢（傾き角度）を検出する図示しない傾き角度センサとが設けられている。傾き角度センサが筐体３３３の垂線に対する傾き角度に応じた信号を検出し、制御部が筐体３３３の傾き角度に応じた信号に応じて駆動部に駆動信号を出力し、駆動部が略球状の回転体３３７を回転させることにより、筐体３３３の姿勢及び移動が制御される。

操車者は、前傾、後傾等の姿勢を取ることにより体重を移動した場合に、重心の移動が筐体３３３に正確に伝わり、上記の姿勢制御とあいまって、操車者の意図する方向に椅子形状搬送装置３３１を走行させることができる。

また、第１カウンタウェイト部３４９ｃは、ｘ軸方向に重量の移動を行うように配置され、第２カウンタウェイト部３４９ｂは、ｙ軸方向に重量の移動を行うように配置されている。このため、第１カウンタウェイト部３４９ｃと第２カウンタウェイト部３４９ｂとにより、二次元的に重心位置を変更することができる。

以上の構成により、操車者の着座位置が予定位置からずれて、操車者の重心と搬送装置３３１の重心が一致しない場合に発生する筐体３３３の傾きに対し、制御部が筐体３３３の傾き角度に対応する信号に応じてカウンタウェイト駆動信号を出力して筐体３３３の水平バランスを回復できる。

特開昭６３−３０５０８２号公報 特開２００４−１２９４３５号公報

しかしながら、上記特許文献１，２に記載の従来の構成では、姿勢制御アーム１０６の先端に取り付けられた重錘１０６ａの位置を動かすか、または予め機体内部に組み込まれた第１及び第２のカウンタウェイト部３４９ｃ，３４９ｂを動かすことによって、機体の水平バランスを回復しているので、質量がカウンタウェイト以上に大きい荷物や人を搭載した場合、これらの重錘１０６ａや第１及び第２のカウンタウェイト部３４９ｃ，３４９ｂを動かすだけでは、機体の水平を回復できないという課題を有していた。また、仮に重錘やカウンタウェイトの質量を十分に大きくしようとすれば、機体重量が増大し、移動体としての運動性能を阻害するという課題を有していた。

また、質量をできるだけ小さくした重錘やカウンタウェイトを採用する場合、その質量をできるだけ小さくしてカウンタウェイトのモーメントを増大させるためには、その移動範囲をできるだけ広くする必要があり、重心ずれに対抗できるようなカウンタウェイト機構を設計することは、形状の大きさから事実上は困難であるという課題を有していた。

本発明の目的は、本来不安定な機体を制御によってバランスさせる倒立二輪型搬送車において、搭載された荷物もしくは人の重心と機体の重心との位置がずれたとしても、荷物もしくは人の搭載された機体全体の重心位置を車軸の位置に自動的に移動させ、水平バランスを回復することができる倒立二輪型搬送車を提供することである。

本発明の一局面に従う倒立二輪型搬送車は、荷物もしくは人を搭載可能な荷台を有する機体と、２つの車輪に支持された台車と、前記機体と前記台車との間に設けられ、前記台車の進行方向に対して前記機体と前記台車との相対位置を変位させる移動機構部と、鉛直方向に対する前記機体の姿勢を検出する傾斜検出部と、前記台車の走行状態を検出する走行検出部と、前記２つの車輪にそれぞれ回転力を発生させる第１のアクチュエータと、前記移動機構部を介して前記機体に推力を発生させる第２のアクチュエータと、前記第１のアクチュエータと前記第２のアクチュエータとにトルク指令と推力指令とを出力する駆動制御部と、前記台車の位置及び速度のうち少なくとも１つの目標指令値を生成する目標指令部と、前記目標指令値と前記傾斜検出部及び前記走行検出部の各検出信号とを入力され、前記目標指令値と前記検出信号との偏差を基に偏差補償信号を生成する偏差補償部と、少なくとも前記傾斜検出部及び前記走行検出部の各検出信号が入力され、前記機体の姿勢を制御する安定化信号を生成する安定化補償部とを備え、前記偏差補償部は、前記傾斜検出部の検出信号に基づく信号を時間に関して少なくとも２重積分する処理を用いて前記偏差補償信号を生成し、前記駆動制御部は、前記偏差補償信号と前記安定化信号とを基に前記トルク指令と前記推力指令とを生成する。

上記の構成により、本来不安定な機体を制御によってバランスさせる倒立二輪型搬送車において、搭載された荷物もしくは人の重心と機体の重心との位置がずれたとしても、移動機構部が荷物もしくは人の搭載された機体全体の重心位置を搬送車の車軸の位置に自動的に移動させ、荷台の水平バランスを維持することができる。

本発明によれば、本来不安定な機体を制御によってバランスさせる倒立二輪型搬送車において、搭載された荷物もしくは人の重心と機体の重心との位置がずれたとしても、荷物もしくは人の搭載された機体全体の重心位置を車軸の位置に自動的に移動させ、水平バランスを回復することができる倒立二輪型搬送車を提供することができる。

本発明の実施の形態１における倒立二輪型搬送車の斜視図である。 図１に示す倒立二輪型搬送車の側面図である。 図１に示す倒立二輪型搬送車の正面図である。 本発明の実施の形態１における倒立二輪型搬送車の各定数の定義を説明するための図である。 本発明の実施の形態１における倒立二輪型搬送車の制御部の一例のブロック図である。 本発明の実施の形態１における倒立二輪型搬送車が登坂する動作を説明するシミュレーション結果を示す時間波形図である。 従来の移動機構部のない倒立二輪型搬送車が登坂する動作を説明するシミュレーション結果を示す時間波形図である。 図６及び図７の倒立二輪型搬送車の動作シミュレーションに用いた速度指令の時間波形図である。 図６及び図７の倒立二輪型搬送車の動作シミュレーションに用いた坂道の形状断面図である。 図７の倒立二輪型搬送車の登坂時におけるシミュレーション結果を基に機体の前傾姿勢を模式的に示した図である。 図６の倒立二輪型搬送車の登坂時におけるシミュレーション結果を基に機体の前傾姿勢を模式的に示した図である。 本発明の実施の形態１における倒立二輪型搬送車の制御部に使用した偏差補償部の一例を示すブロック線図である。 シミュレーションに使用した比較例となる偏差補償部のブロック線図である。 図１３に示す比較例の偏差補償部を用いたときのシミュレーションの結果を示す時間波形図である。 倒立二輪型搬送車の動作シミュレーションに用いた段差の形状断面図である。 従来の移動機構部のない倒立二輪型搬送車の段差乗り越え動作を説明するシミュレーション結果を示す時間波形図である。 本発明の実施の形態１における倒立二輪型搬送車の段差乗り越え動作を説明するシミュレーション結果を示す時間波形図である。 図１６の倒立二輪型搬送車の段差乗り越え時におけるシミュレーション結果を模式的に示した図である。 図１７の倒立二輪型搬送車の段差乗り越え時におけるシミュレーション結果を模式的に示した図である。 本発明の実施の形態２における倒立二輪型搬送車の制御部の一例のブロック図である。 図２０に示す制御部を構成する信号変換部のより具体的な一例を示すブロック図である。 比較例として、移動機構部を有する倒立二輪型搬送車が垂直加速度センサを備えていない場合の段差乗り越えの動作シミュレーションの結果を示す時間波形図である。 本発明の実施の形態２における倒立二輪型搬送車の段差乗り越え動作を説明するシミュレーション結果を示す時間波形図である。 垂直加速度検出部が垂直方向の加速度を検出したときにパルス生成部が生成するパルス信号の時間波形図である。 本発明の実施の形態２における倒立二輪型搬送車の制御部の他の一例のブロック図である。 図２５に示す制御部を構成する信号変換部のより具体的な一例を示すブロック図である。 従来のアームと先端の重錘とによって平衡される倒立二輪型搬送車を表す斜視図である。 図２７に示す倒立二輪型搬送車を表す側面図である。 従来の椅子型の乗り物に組み込まれたカウンタウェイトを示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における倒立二輪型搬送車の斜視図、図２は、この倒立二輪型搬送車の側面図、図３は、この倒立二輪型搬送車の正面図である。

図１乃至図３において、２つの車輪１ａ，１ｂは、同軸上に配置され、２つの車軸２ａ，２ｂにそれぞれ連結される。２つの第１のアクチュエータ３ａ，３ｂは、モータ等から構成され、２つの車軸２ａ，２ｂにそれぞれ連結されて２つの車輪１ａ，１ｂをそれぞれ独立して回転駆動する。台車５は、車軸２ａ，２ｂの軸回り上に回動可能なように、車軸２ａ，２ｂに支持された第１のアクチュエータ３ａ，３ｂを保持する。第１のアクチュエータ３ａ，３ｂは、倒立二輪型搬送車１０の走行動作などの制御を行う制御部９により駆動制御され、倒立二輪型搬送車１０を走行させるとともに、機体４の姿勢を平衡に維持する。

傾斜センサ６は、機体４の姿勢すなわち傾斜角を検出する傾斜検出部を構成し、傾斜センサ６の一例としては、ジャイロセンサが用いられる。エンコーダ１２ａ，１２ｂは、第１のアクチュエータ３ａ，３ｂ又は車輪１ａ，１ｂに取り付けられ、台車５の走行状態を検出する走行検出部を構成する。垂直加速度センサ１３は、垂直加速度検出部を構成し、倒立二輪型搬送車１０の垂直方向の加速度を検出する。なお、垂直方向の加速度を検出しない場合、垂直加速度センサ１３を省略してもよい。

この倒立二輪型搬送車１０の機体４と台車５との間には、移動機構部７が設けられ、第２のアクチュエータ１１により倒立二輪型搬送車１０の進行方向に対して機体４と台車５との相対位置を変位可能なように構成されている。移動機構部７には、摩擦を低減する目的からローラ部７ａ，７ｂが荷重面７ｃ，７ｄの間に配置され、第２のアクチュエータ１１によって台車５と機体４との相対位置を自在に変位可能としている。第２のアクチュエータ１１は、直線運動可能なリニアモータ、又は回転モータ及び回転運動を直線運動に変換する変換機構等から構成される。

また、この倒立二輪型搬送車１０は、荷台の一例として、人が搭乗する搭乗座席８を機体４の上部に有している。なお、荷台の例は、本例に特に限定されず、荷物が載置される場合は、搭乗座席８に代えて、荷物の載置に適した荷物載置台等を用いてもよい。

上記の構成により、傾斜センサ６は、重力方向を検出して重力方向に対する機体４の傾斜姿勢を検出し、制御部９に検出信号を出力する。制御部９は、検出された傾斜に基づき、第１のアクチュエータ３ａ，３ｂと第２のアクチュエータ１１とに対して適切なトルク指令と推力指令とを与えて機体４の姿勢を平衡に維持するように調整する。また、車輪１ａ，１ｂの回転角度は、第１のアクチュエータ３ａ，３ｂに取り付けられたエンコーダ１２ａ，１２ｂのパルスを計数することで測定される。

次に、本実施の形態に係る倒立二輪型搬送車の制御系について説明する。図４は、本発明の実施の形態１における倒立二輪型搬送車の各定数の定義を説明するための図である。

図４に示すように、機体４の傾斜角をφ、車輪１ａ，１ｂの回転角をθ、移動機構部７による台車５に対する機体４の相対変位量をδ、機体４の質量をｍ１、機体４の慣性モーメントをＪ１、台車５の質量をｍ２、台車５の慣性モーメントをＪ２、車輪１ａ，１ｂの質量をｍ３（車輪１ａ，１ｂは２つあるため、１つの車輪の質量の２倍として表示）、車輪１ａ，１ｂの慣性モーメントをＪ３（車輪１ａ，１ｂは２つあるため、１つの車輪の慣性モーメントの２倍として表示）、車輪１ａ，１ｂの半径をｒ、車軸２ａ，２ｂの軸中心からの機体４の重心３１の高さ（距離）をｌ１、車軸２ａ，２ｂの軸中心からの台車５の重心３２の高さ（距離）をｌ２として定義する。

なお、図４において、荷物もしくは人が荷台すなわち搭乗座席８に搭載されたことによる質量と慣性モーメントとの増加分は、機体４の質量ｍ１及び慣性モーメントＪ１に含めてある。また、第１のアクチュエータ３ａ，３ｂの回転は、図示しない減速機構を介して車輪１ａ，１ｂに伝達されるが、第１のアクチュエータ３ａ，３ｂの車輪１ａ，１ｂから見た慣性モーメント（第１のアクチュエータの慣性モーメントＪｍ及び減速比ｎとすれば、ｎ^２×Ｊｍ）を車輪１ａ，１ｂの慣性モーメントＪ３に含めてある。

また、第１のアクチュエータ３ａ，３ｂから減速機構を介して車輪１ａ，１ｂに伝達される回転トルクをＴ（第１のアクチュエータ３ａ，３ｂの発生トルクｔｍ及び減速比ｎとすれば、ｎ×ｔｍ）、移動機構部７に作用する第２のアクチュエータ１１の推力をＦ、車輪１ａ，１ｂの回転における粘性摩擦係数をμｔ、移動機構部７の粘性摩擦係数をμｓとする。

倒立二輪型搬送車１０のこれらの定数を以下のように定める。

機体４の質量 ｍ１＝５５ｋｇ
台車５の質量 ｍ２＝１５ｋｇ
車輪１ａ，１ｂの質量 ｍ３＝３×２ｋｇ
機体４の慣性モーメント Ｊ１＝４ｋｇ・ｍ^２
台車５の慣性モーメント Ｊ２＝０．２ｋｇ・ｍ^２
車輪１ａ，１ｂの慣性モーメント Ｊ３＝０．１×２ｋｇ・ｍ^２
車輪１ａ，１ｂの半径 ｒ＝０．２ｍ
機体４の重心距離 ｌ１＝０．３ｍ
台車５の重心距離 ｌ２＝０．１ｍ
車輪の粘性摩擦係数 μｔ＝０．０００１Ｎ・ｍ／（ｒａｄ／ｓ）
移動機構部の粘性摩擦係数 μｓ＝０．０００１Ｎ／（ｍ／ｓ）
重力加速度 ｇ＝９．８ｍ／ｓ^２
以上の定数を用いて、図４に示された倒立二輪型搬送車１０の運動方程式は、以下の（式１）、（式２）及び（式３）の３式となる。ただし、倒立二輪型搬送車１０が倒立状態にある場合は、機体４の傾斜角φが十分小さいものとして、（式４）、（式５）の近似式を用いて線形化している。なお、図及び式中の変数上の「・」は変数の１階時間微分、「‥」は変数の２階時間微分を示す。

さらに、状態変数を（式６）、入力を（式７）のように定義すると、（式１）、（式２）及び（式３）は、（式８）の状態方程式として整理することができる。なお、（式６）及び（式７）に記述したＴは、ベクトルの転置操作を示す。

ここで、機体４の傾斜角φは、傾斜センサ６により測定可能であり、車輪１ａ，１ｂの回転角θは、エンコーダ１２ａ，１２ｂにより測定可能である。また、移動機構部７の相対変位量δは、移動機構部７に位置センサを取り付けて機体４と台車５との位置ずれを直接的に測定してもよく、または（式８）の状態方程式を基に、一般に使用される状態観測器を設け、測定可能な２つの状態変数（φ，θ）と２つの入力（Ｔ，Ｆ）から移動機構部７の相対変位量δを推定するように構成してもよい。状態観測器を設ければ、機体４と台車５との位置ずれδを測定するために、移動機構部７に位置センサを特別に設ける必要がなく、装置のコストダウンを図れる。

以上より、（式６）の状態変数は、すべて測定可能であり、適当な状態フィードバックゲインを最適レギュレータ法などにより定めることで、倒立二輪型搬送車１０を倒立状態で安定化することが可能である。

図５は、本発明の実施の形態１における倒立二輪型搬送車１０の制御部９の一例のブロック線図である。図５において、制御部９は、安定化補償部４１、状態観測部４２、駆動制御部４３、目標状態生成部４４及び偏差補償部４５を備える。なお、図５では、ブロック線図における制御対象物として、倒立二輪型搬送車１０を図示しており、第１のアクチュエータ３ａ，３ｂ、第２のアクチュエータ１１、傾斜センサ６及びエンコーダ１２ａ，１２ｂ等を纏めて一つのブロックで示したものである。

図５に示すように、図１に示す倒立二輪型搬送車１０は、車輪１ａ，１ｂを回転駆動させる第１のアクチュエータ３ａ，３ｂへのトルク指令Ｔと、移動機構部７の第２のアクチュエータ１１への推力指令Ｆとを入力とし、（式６）の６つの状態変数ｘを出力とする２入力６出力系である。

ここで、倒立二輪型搬送車１０の（式６）の状態変数ｘのうち、車輪１ａ，１ｂの回転角θと機体４の傾斜角φとだけがそれぞれエンコーダ１２ａ，１２ｂと傾斜センサ６とで検出される。また、回転角θ及び傾斜角φの２つの検出信号と、車輪１ａ，１ｂのトルク指令Ｔ及び移動機構部７の推力指令Ｆの２つの入力信号とが、状態観測部４２に入力され、エンコーダやセンサを用いて検出できない（式６）の状態変数（δ，φ’，θ’，δ’）（以下、明細書中において、図及び式中の変数上の１階時間微分を表す「・」を「’」で表記する）も推定され、得られた状態変数ｘの推定値ｘ＾（以下、明細書中において、図及び式中の変数上の推定値を表す「＾」を変数に続けて表記する）が安定化補償部４１に入力される。

安定化補償部４１は、状態観測部４２で推定された状態変数ｘ＾に、制御系安定化のための状態フィードバックゲインを掛け合わせて生成した安定化信号Ｐ（２つの出力信号Ｔｐ，Ｆｐ）を駆動制御部４３へ出力する。安定化信号Ｐは、（式９）で求めることができる。ここで、フィードバック係数ＦＧは、状態フィードバックゲインを示し、（式１０）で表現できる２行６列の行列である。

すなわち、（式９）により制御系のすべての状態変数ｘ＾に（式１０）の各ゲイン係数を掛け合わせることにより状態フィードバックの制御演算を行う。状態フィードバックにより制御系を安定化する制御方法は、最適レギュレータ問題として従来からよく用いられ、フィードバック係数ＦＧを求める方法は、リカッティ方程式の解法として知られており、本実施の形態においても、これらの公知の技術を用いることができる。このように、安定化補償部４１及び状態観測部４２が、少なくとも傾斜センサ６及びエンコーダ１２ａ，１２ｂの各検出信号が入力され、機体４の姿勢を制御する安定化信号Ｐを生成する安定化補償部の一例として機能する。

目標状態生成部４４は、台車５の位置及び速度のうち少なくとも１つの目標指令値を生成する目標指令部として機能し、例えば、角速度指令θｒ’から車輪１ａ，１ｂの目標角度θｒ及び機体４の目標傾斜角φｒを生成する。この場合、目標傾斜角φｒは、機体４の傾斜を発生させないため、零である。

偏差補償部４５には、倒立二輪型搬送車１０の回転角θと機体４の傾斜角φとがフィードバックされ、偏差補償部４５は、目標状態生成部４４が出力する目標値（θｒ，φｒ）と、倒立二輪型搬送車１０（エンコーダ１２ａ，１２ｂ及び傾斜センサ６）の出力（θ，φ）とのそれぞれの偏差を基に、適当な演算を実行した後、偏差補償信号Ｅ（２つの出力信号Ｔｅ，Ｆｅ）を駆動制御部４３へ出力する。

駆動制御部４３は、安定化補償部４１と偏差補償部４５とが出力する安定化信号Ｐと偏差補償信号Ｅとをそれぞれ加算して（式７）のトルク指令Ｔ及び推力指令Ｆを生成する。すなわち、トルク指令Ｔと推力指令Ｆとは、それぞれ（式１１）、（式１２）で求められる。

駆動制御部４３によって生成されたトルク指令Ｔ及び推力指令Ｆは、倒立二輪型搬送車１０（第１のアクチュエータ３ａ，３ｂ及び第２のアクチュエータ１１）に入力され、車輪１ａ，１ｂの回転角速度θ’が角速度指令θｒ’に一致し、機体４の傾斜角φが目標傾斜角φｒ（＝０）になるように、フィードバック制御が行われる。なお、偏差補償部４５の詳細な動作については、図１２を用いて後述する。

図６は、本実施の形態の、移動機構部７を有する倒立二輪型搬送車１０において、図５に示した制御系と（式８）で表される線形モデルとを組み合わせたシミュレーションの結果を示す時間波形図であり、図７は、移動機構部のない従来の倒立二輪型搬送車のシミュレーションの結果を示し、移動機構部７の効果を比較するための時間波形図である。図６及び図７では、各倒立二輪型搬送車は、図８に示すように、時刻ｔ０から加速され、移動速度１ｍ／ｓに達する速度指令を与えられ、時刻ｔ１から図９に示す勾配１０°の坂道を登るものとする。

図６において、図６（ａ）は、倒立二輪型搬送車１０が倒立した停止状態（時刻ｔ０）から１ｍ／ｓに加速する様子を示した移動速度ｖ、図６（ｂ）は、移動機構部７を作用させたときの機体４の傾斜角φ、図６（ｃ）は、移動機構部７の相対変位量δ、図６（ｄ）は、車輪１ａ，１ｂの回転トルクＴ、図６（ｅ）は、移動機構部７に作用する第２のアクチュエータ１１の推力Ｆをそれぞれ示す。ここで、倒立二輪型搬送車１０の移動速度ｖは、（式１３）により求めており、ｒは、車輪１ａ，１ｂの半径、θ’は、車輪１ａ，１ｂの回転角速度を示す。

一方、図７において、図７（ａ）は、図６（ａ）と同様の移動速度ｖ、図７（ｂ）は、移動機構部が位置ずれを生じないように固定（δ＝０）したときの機体４の傾斜角φ、図７（ｃ）は、移動機構部の固定状態（δ＝０）、図７（ｄ）は、車輪１ａ，１ｂの回転トルクＴを示す。

図６に示すように、本実施の形態では、移動機構部７を作用させているので、停止状態ｔ０から加速するときに、移動機構部７の相対変位量δは、進行方向に約１ｃｍとなり、機体４は、進行方向にわずかに前傾姿勢（φ≒０）になるだけである。時刻ｔ１において図８の坂道を登るときも、移動機構部７の相対変位量δは、進行方向に約５ｃｍとなるが機体４は、前傾姿勢にはならない。

それに対して、図７の従来の倒立二輪型搬送車（移動機構部を固定したものと同等）は、停止状態ｔ０から加速するときに、進行方向に前傾姿勢（φ＝２°）になり、その後一定速度で移動するときには、前傾姿勢は改善されるが（φ＝０°）、時刻ｔ１において坂道に到達して坂道を登るときは、再び前傾姿勢（φ＝８°）になる。

図１０及び図１１は、図７及び図６の倒立二輪型搬送車の登坂時におけるシミュレーション結果を基に機体の前傾姿勢を模式的に示した図である。なお、図１０及び図１１では、対比を容易にするために、対応する部分に同一符号を用いるものとする。

図１０は、従来の倒立二輪型搬送車で移動機構部のない場合を示し、機体４は、前傾姿勢となり、機体４の重心３１と台車５の重心３２とは、進行方向の前方に移動する。このため、機体４と台車５とには、重力により車軸２ａ，２ｂを中心として時計方向の回転モーメントが発生する。

ここで、図１０の場合、移動機構部が固定（δ＝０）されているので、機体４及び台車５の傾斜角をφ、車輪１ａ，１ｂの回転トルクをＴ（車輪１ａ，１ｂは２つあるため、１つの車輪の発生トルクの２倍として表示）とすれば、次の（式１４）が成立する。なお、ｇは、質量ｍ１，ｍ２に作用する重力加速度であり、各定数及び変数は、本実施の形態と同様に表記している。

すなわち、移動機構部のない従来の倒立二輪型搬送車では、前傾姿勢を取らないと、車輪１ａ，１ｂには回転トルクＴを発生することができず、（式１４）に示すように、回転トルクＴと重力による回転モーメントとが平衡を維持しながら登坂することができない。この傾向は勾配の大きさに比例し、図９の坂道の勾配が大きくなれば、登坂に必要な回転トルクＴは大きくなり、（式１４）から機体４の傾斜角φも大きくなる。

一方、図１１は、本実施の形態の移動機構部７を有する倒立二輪型搬送車の場合を示しており、機体４の重心３１は、移動機構部７の作用により進行方向の前方に相対変位量δだけ移動する。台車５の重心３２が車軸２ａ，２ｂ上にあるものと仮定すれば、台車５は、重力による回転モーメントを発生しない。このように、移動機構部７の作用によって機体４の重心３１が進行方向の前方に相対変位量δだけ移動することにより、機体４は、重力により車軸２ａ，２ｂを中心として時計方向の回転モーメントを発生する。移動機構部７の相対変位量をδ、車輪の発生トルクをＴとすれば、次の（式１５）が成立する。

上記のように、（式１５）には、（式１４）に見られるような機体４の傾斜角φの項は含まれない。すなわち、本実施の形態の倒立二輪型搬送車１０では、移動機構部７の作用により機体４の重心を進行方向に移動させることができるので、従来の倒立二輪型搬送車のように前傾姿勢を取らなくとも、機体４全体の重心位置を自動的に移動させ、荷物もしくは人を搭載する荷台すなわち搭乗座席８を常に水平に維持しながら、登坂することができる。

なお、上記の説明では、登坂時についてのシミュレーションを行ったが、本実施の形態の倒立二輪型搬送車１０は、移動機構部７の作用により登坂時だけでなく、降坂時にも搭乗座席８を常に水平に維持しながら、降坂することもできる。

次に、偏差補償部４５の動作について詳細に説明する。図５に示したように、偏差補償部４５には、倒立二輪型搬送車１０（エンコーダ１２ａ，１２ｂ及び傾斜センサ６）から車輪１ａ，１ｂの回転角θ及び機体４の傾斜角φがフィードバックされ、偏差補償部４５は、目標状態生成部４４が出力する目標値（θｒ，φｒ）と倒立二輪型搬送車１０（第１のアクチュエータ３ａ，３ｂ及び第２のアクチュエータ１１）の出力（θ，φ）とのそれぞれの偏差（θｅ，φｅ）を求める。次に、偏差補償部４５は、偏差（θｅ，φｅ）を基に適当な演算を施した後、偏差補償信号Ｅ（２つの出力信号Ｔｅ，Ｆｅ）を駆動制御部４３に出力する。

図１２は、図５に示した実施の形態１における倒立二輪型搬送車１０の制御系に使用した偏差補償部４５の一例を示すブロック線図である。なお、図１２において、ｓは、ラプラス演算子を表し、また、ｋ１，ｋ２及びｋ３は、ゲイン係数を表し、それぞれ２次元ベクトルである。

図１２において、偏差補償部４５は、第１の積分部６１、第２の積分部６２、第３の積分部６３、第１の乗算部７１、第２の乗算部７２、第３の乗算部７３、第１の比較部８１、信号加算部８２、第２の比較部８３及び信号合成部８４を含む。

第１の比較部８１は、目標傾斜角φｒ（この場合はφｒ＝０）と機体４の傾斜角φとを比較し、傾斜角偏差φｅ（＝φｒ−φ）を第１の積分部６１へ出力する。第１の積分部６１は、傾斜角偏差φｅを時間積分し、得られた積分出力を第２の積分部６２と第１の乗算部７１とへそれぞれ出力する。第２の積分部６２は、第１の積分部６１の積分出力をさらに積分し、２重積分信号を第２の乗算部７２へ出力する。このように、第１の積分部６１と第２の積分部６２とを直列接続することにより、２重積分処理が行われる。

次に、第１の乗算部７１は、入力された第１の積分部６１の積分出力に第１の係数ｋ１を乗算し、信号加算部８２へ出力する。第２の乗算部７２は、第２の積分部６２の２重積分信号に第２の係数ｋ２を乗算した後、信号加算部８２へ出力する。信号加算部８２は、第１の乗算部７１の出力と第２の乗算部７２の出力とを加算し、得られた傾斜角偏差φｅの処理信号を信号合成部８４へ出力する。このように、第１の積分部６１、第２の積分部６２、第１の乗算部７１、第２の乗算部７２及び信号加算部８２から構成される部分が、偏差補償部４５において傾斜角偏差φｅが処理されるブロック線図である。

また、第２の比較部８３は、車輪１ａ，１ｂの目標角度θｒと車輪１ａ，１ｂの回転角θとを比較し、回転角偏差θｅ（＝θｒ−θ）を第３の積分部６３へ出力する。第３の積分部６３は、回転角偏差θｅを時間積分し、得られた積分出力を第３の乗算部７３へ出力する。第３の乗算部７３は、入力された第３の積分部６３の積分出力に第３の係数ｋ３を乗算し、得られた回転角偏差θｅの処理信号を信号合成部８４へ出力する。このように、第３の積分部６３及び第３の乗算部７３から構成される部分が、偏差補償部４５において回転角偏差θｅが処理されるブロック線図である。信号合成部８４は、傾斜角偏差φｅの処理信号と回転角偏差θｅの処理信号とを加算して偏差補償信号Ｅを駆動制御部４３に出力する。

図１２のブロック線図において、傾斜角偏差φｅに関する伝達関数を（式１６）に示す。

（式１６）から、偏差補償部４５の傾斜角偏差φｅに関する伝達関数Ｇｄは、分母のｓ項の次数が２であり、２重積分の形で表現される。このように、偏差補償部４５の伝達関数Ｇｄは、分母のｓ項次数が２であることが重要である。

また、図１２のブロック線図において、回転角偏差θｅに関する伝達関数を（式１７）に示す。

上記の（式１６）と（式１７）とを用いて、信号合成部８４が出力する偏差補償信号Ｅは、（式１８）で表現できる。

ここで、偏差補償部４５の伝達関数Ｇｄの分母のｓ項次数が異なるときの動作を比較するため、偏差補償部４５の伝達関数Ｇｄにおいて、分母のｓ項次数を１に選んだときの倒立二輪型搬送車１０の動作についてシミュレーションの結果を説明する。

図１３は、シミュレーションに使用した比較例となる偏差補償部のブロック線図である。図１３は、図１２のブロック線図において、ゲイン係数ｋ２を零にしたものと等価であり、図１３のブロック線図において、傾斜角偏差φｅに関する伝達関数を（式１９）に示す。（式１９）から明らかなように、比較例の偏差補償部の伝達関数Ｇｄの分母のｓ項次数は、１である。

図１４は、倒立二輪型搬送車の図５に示した制御系に含まれる偏差補償部４５の構成として、図１３に示す比較例の偏差補償部を用い、伝達関数が（式１９）で表現されるときのシミュレーションの結果を示す時間波形図である。一方、図５に示した制御系に含まれる偏差補償部４５の構成として、図１２に示す本実施の形態の偏差補償部を用い、伝達関数が（式１６）で表現されるときのシミュレーション結果は、前述した図６の時間波形図である。

なお、図１４のシミュレーション結果は、図６のシミュレーション結果と比較して、図５に示した制御系に含まれる偏差補償部４５の構成が異なるだけで、それ以外の倒立二輪型搬送車の各定数は同じであり、比較例の倒立二輪型搬送車は、図８の速度指令に応じて図９に示す傾斜角１０°の坂道を登るものとする。また、図１４の（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）及び（ｅ）は図６のそれぞれと対応するので、重複した説明は省略する。

図１４（ｂ）において、比較例の倒立二輪型搬送車が図９の坂道を登るとき、機体４は、前傾姿勢（φ＝１．５°）となる。図１４では、機体４が前傾姿勢となるため、機体４と台車５との間に配置された移動機構部７も、進行方向の前方部分が下降した状態となり、機体４は、重力の作用によって移動機構部７を進行方向に滑り落ちる力を受ける。その結果、機体４の位置ずれを抑止するために、図１４（ｅ）に示すように、第２のアクチュエータ１１は、進行方向とは逆方向に推力Ｆを発生し、機体４が重力によって進行方向に滑り落ちる力と平衡している。すなわち、図１４の場合、第２のアクチュエータ１１は、登坂時に常に進行方向とは逆方向に推力Ｆを発生させる必要がある。

一方、本実施の形態のように、偏差補償部４５の伝達関数Ｇｄにおいて、分母のｓ項次数が２以上であれば、図６（ｂ）に示すように、倒立二輪型搬送車１０が図９の坂道を登るとき、機体４は、前傾姿勢にならず（φ＝０°）、第２のアクチュエータ１１は、登坂中に推力Ｆを発生させる必要がなく、消費電力の点で図１４の比較例に比べて有利である。

以上述べたように、図５に示した制御系に含まれる偏差補償部４５の分母のｓ項次数を２次以上にすることにより、登坂及び降坂時にも、機体４は、前傾姿勢になることはなく、移動機構部７も水平に維持されるので、機体４に作用する重力に対抗して第２のアクチュエータ１１に推力Ｆを常に発生して位置ずれを保持する必要がなく、荷物もしくは人を搭載する荷台となる搭乗座席８を常に水平に維持しながら移動することができる。その結果、人に不安感を与えることがなく、荷物の横滑りや荷崩れの発生を防ぐことができ、駆動のための消費電力を低減することができる。

次に、本実施の形態の倒立二輪型搬送車１０が、図９に示す勾配１０°の坂道を登る代わりに、図１５に示すような、走行経路に存在する段差を通過するときの動作について説明をする。倒立二輪型搬送車１０は、移動速度ｖが０．５ｍ／ｓで走行経路を移動中に、後述する時刻ｔ２において高さ３ｃｍの段差を通過するものとし、本実施の形態の移動機構部７を有する倒立二輪型搬送車１０において図５に示した制御系と（式８）で表される線形モデルとを組み合わせたシミュレーションを行う。

図１６は、移動機構部のない従来の倒立二輪型搬送車のシミュレーション結果を示した時間波形図、すなわち、本実施の形態の移動機構部７の効果を比較するために、倒立二輪型搬送車１０において移動機構部７が位置ずれを生じないように固定（δ＝０）された比較例のシミュレーション結果を示す時間波形図である。図１６において、図１６（ａ）は、移動速度ｖ、図１６（ｂ）は、移動機構部７を固定したときの機体４の傾斜角φ、図１６（ｃ）は、移動機構部７の固定状態（δ＝０）、図１６（ｄ）は、車輪１ａ，１ｂの回転トルクＴをそれぞれ示す。

一方、図１７は、本実施の形態の倒立二輪型搬送車１０において移動機構部７を作用させたときのシミュレーション結果を示す時間波形図である。図１７において、図１７（ａ）は、図１６（ａ）と同様の移動速度ｖ、図１７（ｂ）は、移動機構部７を作用させたときの機体４の傾斜角φ、図１７（ｃ）は、移動機構部７の相対変位量δ、図１７（ｄ）は、車輪１ａ，１ｂの回転トルクＴ、図１７（ｅ）は、移動機構部７に作用する第２のアクチュエータ１１の推力Ｆをそれぞれ示す。

図１６において、移動機構部７が位置ずれを生じないように固定（δ＝０）された比較例では、時刻ｔ２において、図１５の段差の位置で段差の乗り越えができず、図１６（ａ）に示すように、倒立二輪型搬送車は一旦停止する。図１６のシミュレーション結果では、時間経過とともに機体４は、図１６（ｂ）に示すように、進行方向に徐々に前傾姿勢になり、車輪１ａ，１ｂの回転トルクＴも、図１６（ｄ）に示すように増加し、機体４の傾斜角φが３０°になった時点で最終的に段差を乗り越える。

上記のシミュレーション及び実際の制御では、（式４）及び（式５）が成立するものと仮定することにより、（式８）の線形モデルを使用したものである。しかしながら、機体４の傾斜角φが１０°以上になる場合には、（式８）の線形モデルを採用することができず、倒立二輪型搬送車１０の制御も正確に実行できない。したがって、移動機構部７が位置ずれを生じないように固定（δ＝０）されたとき、比較例の倒立二輪型搬送車は、図１５の段差を乗り越えることができないものと考えられる。

それに対して、図１７に示すように、本実施の形態の倒立二輪型搬送車１０において移動機構部７を作用させると、時刻ｔ２において図１５の段差を通過するとき、進行方向における移動機構部７の相対変位量δは約９ｃｍとなるが、機体４の傾斜角φはわずかである。したがって、（式８）の線形モデルを使用して制御が正確に実行され、本実施の形態の倒立二輪型搬送車１０は、問題なく、図１５の段差を乗り越えることができる。

図１８及び図１９は、図１６及び図１７の倒立二輪型搬送車の段差乗り越え時におけるシミュレーション結果を基に機体４の前傾姿勢を模式的に示した図である。なお、図１８及び図１９では、対比を容易にするために、対応する部分に同一符号を用いるものとする。

図１８は、従来の倒立二輪型搬送車で移動機構部のない場合を示し、機体４は、段差位置の所で停止して前傾姿勢となり、機体４の重心３１と台車５の重心３２とは、進行方向の前方に移動する。このため、機体４と台車５とには、重力により車軸２ａ，２ｂを中心として時計方向の回転モーメントが発生する。このとき、機体４の傾斜角φに対して（式１４）を満たすように、車輪１ａ，１ｂは、回転トルクＴを発生するが、制御系が（式８）の線形モデルが成立する範囲内では、段差を乗り越えるだけの回転トルクＴを発生できず、段差を乗り越えることができない。

一方、図１９は、本実施の形態の移動機構部７を有する倒立二輪型搬送車の場合を示し、機体４の重心３１は、移動機構部７の作用により進行方向の前方に相対変位量δだけ移動する。機体４が進行方向の前方に相対変位量δだけ移動しても、前傾姿勢にはならず、傾斜角φは小さいので、制御系は常に（式８）の線形モデルが成立する。また、移動機構部７の作用により、機体４の重心が進行方向の前方に相対変位量δだけ移動したことで、機体４は、重力により車軸２ａ，２ｂを中心として時計方向の回転モーメントを発生する。機体４の相対変位量δに対して（式１５）を満たすように、車輪１ａ，１ｂは、回転トルクＴを発生するので、段差乗り越えに必要な回転トルクＴが移動機構部７の可動範囲内で発生可能ならば、段差を乗り越えることができる。

以上の説明から明らかなように、図１９のように、移動機構部７を作用させることは、従来の倒立二輪型搬送車では困難であった段差乗り越えに対しても、荷物もしくは人の搭載された機体４全体の重心位置を進行方向の前方へ移動させることができるので、段差の乗り越え走行を安定した姿勢で行うことができるという効果がある。

（実施の形態２）
図２０は、本発明の実施の形態２における倒立二輪型搬送車の制御部の一例のブロック図である。図２０において、図５と同じ構成要素については同じ符号を用い、重複した説明を省略する。また、本実施の形態の全体構成は、図２０に示す制御部を除き、図１〜図４に示す実施の形態１と同様であるので、図示を省略し、実施の形態１と同一符号を用いて各部分について説明する。

本実施の形態では、図２に示す垂直加速度センサ１３を用い、倒立二輪型搬送車１０は、走行経路に存在する段差などの垂直方向の変位に対する制御を行う。すなわち、倒立二輪型搬送車１０には、垂直加速度検出部を構成する垂直加速度センサ１３が取り付けられており、例えば、倒立二輪型搬送車１０が走行経路に存在する段差などに乗り上げたときに、垂直加速度センサ１３が台車５の垂直方向の加速度を検出し、加速度信号ｚ¨を出力する（以下、明細書中において、図及び式中の変数上の２階時間微分を表す「‥」を「¨」で表記する）。

図２０において、加速度信号ｚ¨は、パルス生成部５１に入力され、パルス生成部５１は、入力された加速度信号ｚ¨の大きさを計測し、垂直方向の加速度変化が所定値を超えたとき、パルス信号ｗを信号変換部５２へ出力する。信号変換部５２には、図５の駆動制御部４３の生成するトルク指令Ｔと推力指令Ｆとが入力され、信号変換部５２は、パルス信号ｗに応じて、変換されたトルク変換指令Ｔ’及び推力変換指令Ｆ’を倒立二輪型搬送車１０（第１のアクチュエータ３ａ，３ｂ及び第２のアクチュエータ１１）へ出力する。

図２１は、図２０に示す制御部を構成する信号変換部５２のより具体的な一例を示すブロック図である。図２１において、駆動制御部４３から入力されるトルク指令Ｔは、そのままトルク変換指令Ｔ’として倒立二輪型搬送車１０（第１のアクチュエータ３ａ，３ｂ）へ出力される。駆動制御部４３から入力される推力指令Ｆは、切換スイッチ５３を介して推力変換指令Ｆ’として倒立二輪型搬送車１０（第２のアクチュエータ１１）へ出力される。

切換スイッチ５３の出力端子は、パルス生成部５１から出力されるパルス信号ｗに応じて、端子ａ側もしくは端子ｂ側に接続される。パルス生成部５１が信号変換部５２を構成する切換スイッチ５３へパルス信号ｗを出力したときは、切換スイッチ５３は、端子ａ側に切り換えられ、駆動制御部４３から入力される推力指令Ｆは、倒立二輪型搬送車１０へ出力されず、信号変換部５２を構成する信号発生部５４の発生する一定値Ｆ０が推力変換指令Ｆ’として出力される。

一方、パルス信号ｗが切換スイッチ５３へ出力されないときは、切換スイッチ５３の出力端子は、端子ｂ側に接続され、駆動制御部４３から入力される推力指令Ｆは、そのまま推力変換指令Ｆ’として倒立二輪型搬送車１０（第２のアクチュエータ１１）へ出力される。

すなわち、倒立二輪型搬送車１０が走行経路に存在する段差などに乗り上げて通過するときに、垂直加速度センサ１３は、垂直方向の加速度を検知し、信号変換部５２は、推力指令Ｆを変換して推力変換指令Ｆ’を倒立二輪型搬送車１０へ出力する。このように、本実施の形態における倒立二輪型搬送車１０の制御系を構成する制御部９は、走行経路に存在する段差などの垂直方向の変位に対する制御を行う。

図２２は、比較例として、移動機構部７を有する倒立二輪型搬送車１０が垂直加速度センサを備えていない場合の段差乗り越えの動作シミュレーションの結果を示す時間波形図である。本シミュレーションに用いた走行経路には、図１５に示すような高さ３ｃｍの段差があり、比較例の倒立二輪型搬送車１０は、段差乗り越えを行うものとする。

図２２のシミュレーションが図１７のシミュレーションと異なるのは、図１７では、倒立二輪型搬送車１０が移動速度ｖとして０．５ｍ／ｓで段差を通過し、図２２では、倒立二輪型搬送車１０が移動速度ｖとして０．３ｍ／ｓで段差を通過する点である。一般に、倒立二輪型搬送車１０の移動速度ｖが大きいほど、倒立二輪型搬送車１０の持つ運動エネルギーが大きくなり、移動速度ｖが大きいほど、倒立二輪型搬送車１０は、段差を乗り越えやすい。一方、倒立二輪型搬送車１０の移動速度ｖが遅くなれば、段差を乗り越えるのが困難になることが予想される。

図２２において、図２２（ａ）は、移動速度ｖ、図２２（ｂ）は、機体４の傾斜角φ、図２２（ｃ）は、移動機構部７の相対変位量δ、図２２（ｄ）は、車輪１ａ，１ｂの回転トルクＴ、図２２（ｅ）は、移動機構部７に作用する第２のアクチュエータ１１の推力Ｆをそれぞれ示す。

図１７に示したように、移動速度ｖが０．５ｍ／ｓの場合には、倒立二輪型搬送車１０は、問題なく図１５の段差を乗り越えることができた。しかしながら、移動速度ｖを０．３ｍ／ｓまで低くさせた場合には、図２２（ａ）に示すように、倒立二輪型搬送車１０は、時刻ｔ２において段差のところで一旦停止する。このとき、移動機構部７の相対変位量δは、時間経過につれて、図２２（ｃ）に示すように進行方向に徐々に増加する。

また、車輪１ａ，１ｂの回転トルクＴは、図２２（ｄ）に示すように、（式１５）を満たしながら増加し、移動機構部７の相対変位量δがほぼ１５ｃｍに達した時点で、倒立二輪型搬送車１０は、段差を乗り越える。機体４は、制御部９によって姿勢制御されているので、機体４の傾斜角φは、図２２（ｂ）に示すように、前後に微小振動するだけで大きな前傾姿勢をとることはない。

上記のように、倒立二輪型搬送車１０が段差の位置で一旦停止するため、段差乗り越えに要する時間は、約５秒である。このように、倒立二輪型搬送車１０が段差の位置で一旦停止するため、移動速度ｖの運動エネルギーは、段差乗り越えに有効に作用しない。この結果、垂直加速度センサを備えていない倒立二輪型搬送車１０では、段差乗り越えに必要な車輪１ａ，１ｂの回転トルクＴは、図２２（ｄ）に示すように８０Ｎｍとなり、大きなトルクが必要となる。

図２３は、本実施の形態の垂直加速度センサ１３を有する倒立二輪型搬送車１０の段差乗り越えの動作シミュレーションの結果を示す時間波形図である。本シミュレーションに用いた走行経路には、図２２と同様に、図１５に示すような高さ３ｃｍの段差があり、倒立二輪型搬送車１０は、移動速度ｖとして０．３ｍ／ｓで段差を通過するものとする。このとき、本実施の形態の倒立二輪型搬送車１０は、垂直加速度検出部を構成する垂直加速度センサ１３を備え、走行経路に存在する段差などの垂直方向の変位に対する段差乗り越えの制御が行われる。

図２３において、図２３（ａ）は、図２２（ａ）と同様の移動速度ｖ、図２３（ｂ）は、垂直加速度センサ１３及び図２０に示す制御部を用いて垂直方向の変位に対する制御を行ったときの機体４の傾斜角φ、図２３（ｃ）は、移動機構部７の相対変位量δ、図２３（ｄ）は、車輪１ａ，１ｂの回転トルクＴ、図２３（ｅ）は、移動機構部７に作用する第２のアクチュエータ１１の推力Ｆをそれぞれ示す。

図２３に示すように、倒立二輪型搬送車１０が時刻ｔ２で図１５に示す段差に到達し、垂直加速度センサ１３が垂直方向の加速度を検出したとき、パルス生成部５１は、図２４に示すようなパルス信号ｗを信号変換部５２へ出力する。図２４のパルス信号ｗのパルス幅は、例えば、０．５秒とする。

信号変換部５２に入力されたパルス信号ｗは、切換スイッチ５３を端子ａ側に切り換え、駆動制御部４３から入力される推力指令Ｆは、制御系から遮断され、信号変換部５２を構成する信号発生部５４の発生する一定値Ｆ０が推力変換指令Ｆ’として出力される。図２３の例では、信号発生部５４の発生する一定値Ｆ０の値を零（Ｆ０＝０）に選んでいるので、時刻ｔ２において、信号変換部５２にパルス信号ｗが入力されている期間、移動機構部７に作用する第２のアクチュエータ１１の推力Ｆは、図２３（ｅ）に示すように零となる。

また、倒立二輪型搬送車１０が時刻ｔ２で図１５に示す段差に到達したとき、図２３（ｃ）に示すように、相対変位量δとして、機体４は、第２のアクチュエータ１１の推力Ｆが零であっても、慣性力によって進行方向に約１０ｃｍだけ変位する。このように、機体４が進行方向に大きく変位するため、機体４は、進行方向に前傾姿勢になろうとする。

一方、時刻ｔ２の段差乗り越え時にも、車輪１ａ，１ｂの回転トルクＴは、制御系を構成しているので、機体４の姿勢制御が行われ、図２３（ｄ）に示すように、機体４が前傾姿勢とならないように、段差乗り越え方向に回転トルクＴが増大される。この回転トルクＴの反作用によって、機体４は、図２３（ｂ）に示すように、進行方向とは逆の方向に傾斜するが、傾斜角φは−５°に抑制されている。この結果、図２３の場合には、倒立二輪型搬送車１０は、段差の位置で一瞬停止するが、図２２の場合と比較すれば、滑らかに段差乗り越えを行うことができる。

上記のように、本実施の形態では、垂直加速度センサ１３が垂直方向の加速度を検出することにより、倒立二輪型搬送車１０が段差に到達したタイミングを検出し、パルス信号ｗが切換スイッチ５３へ出力される。そのタイミングで、第２のアクチュエータ１１の推力Ｆを零（信号発生部５４の発生する一定値Ｆ０を零にした場合）にして機体４を慣性力で進行方向へ変位させ、車輪１ａ，１ｂの回転トルクＴを増大させて段差乗り越えを行う。したがって、移動速度ｖの運動エネルギーは、段差乗り越えに有効に作用し、段差乗り越えに必要な車輪１ａ，１ａの回転トルクＴは、図２２（ｄ）に比べて小さなトルクで十分である。

以上の説明から明らかなように、台車５の垂直方向の加速度を検出する垂直加速度センサ１３を備え、走行経路に存在する段差などの垂直方向の変位に対する制御を行うことにより、従来の倒立二輪型搬送車では困難であった段差乗り越えに対して、本実施の形態２の倒立二輪型搬送車は、荷物もしくは人の搭載された機体４全体の重心位置を進行方向の前方へ移動させることができるので、段差の乗り越え走行を安定した姿勢で、より滑らかに行うことができるという効果がある。

また、本実施の形態に用いられる制御部は、上記の例に特に限定されず、種々の変更が可能であり、例えば、以下に説明する制御部を用いてもよい。図２５は、本発明の実施の形態２における倒立二輪型搬送車の制御部の他の一例のブロック図である。図２５において、図５と同じ構成要素については同じ符号を用い、重複した説明を省略する。

図２５に示す制御部９及び図２に示す垂直加速度センサ１３を用い、本例の倒立二輪型搬送車１０も、走行経路に存在する段差などの垂直方向の変位に対する制御を行う。すなわち、倒立二輪型搬送車１０には、垂直加速度検出部を構成する垂直加速度センサ１３が取り付けられており、例えば、倒立二輪型搬送車１０が走行経路に存在する段差などに登ったり、降りたりしたときに、垂直加速度センサ１３が台車５の垂直方向の加速度を検出し、加速度信号ｚ¨を出力する。

図２５において、加速度信号ｚ¨は、パルス生成部５１ａに入力され、パルス生成部５１ａは、入力された加速度信号ｚ¨の大きさを計測し、垂直方向の加速度変化が所定値を超えたとき、パルス信号ｗを信号変換部５２ａへ出力する。同時に、パルス生成部５１ａは、入力された加速度信号ｚ¨の極性が負のとき、極性信号ｑを信号変換部５２ａへ出力する。

すなわち、倒立二輪型搬送車１０が段差を降りるとき、パルス生成部５１ａは、パルス信号ｗと極性信号ｑを信号変換部５２ａへ出力する。一方、倒立二輪型搬送車１０が段差を登るとき、パルス生成部５１ａは、パルス信号ｗのみを信号変換部５２ａへ出力する。

信号変換部５２ａには、駆動制御部４３の生成するトルク指令Ｔ及び推力指令Ｆが入力され、信号変換部５２ａは、パルス信号ｗと極性信号ｑとに応じて変換されたトルク変換指令Ｔ’及び推力変換指令Ｆ’を倒立二輪型搬送車１０（第１のアクチュエータ３ａ，３ｂ及び第２のアクチュエータ１１）へ出力する。

図２６は、図２５に示す制御部を構成する信号変換部５２ａの、より具体的な一例を示すブロック図である。図２６において、駆動制御部４３から入力されるトルク指令Ｔは、そのままトルク変換指令Ｔ’として倒立二輪型搬送車１０（第１のアクチュエータ３ａ，３ｂ）へ出力される。駆動制御部４３から入力される推力指令Ｆは、切換スイッチ５３ａを介して推力変換指令Ｆ’として倒立二輪型搬送車１０（第２のアクチュエータ１１）へ出力される。切換スイッチ５３ａの出力端子は、パルス生成部５１ａから出力されるパルス信号ｗ及び極性信号ｑに応じて、端子ａ側、端子ｂ側、もしくは端子ｃ側に接続される。

例えば、倒立二輪型搬送車１０が段差を登るとき、パルス生成部５１ａは、パルス信号ｗのみを切換スイッチ５３ａへ出力し、切換スイッチ５３ａは、端子ａ側に切り換えられる。そのとき、駆動制御部４３から入力される推力指令Ｆは、倒立二輪型搬送車１０（第２のアクチュエータ１１）へ出力されず、信号発生部５４の発生する一定値Ｆ０が、推力変換指令Ｆ’として出力される。

一方、倒立二輪型搬送車１０が段差を降りるとき、パルス生成部５１ａは、パルス信号ｗ及び極性信号ｑを切換スイッチ５３ａへ出力し、切換スイッチ５３ａは、端子ｃ側に切り換えられる。そのとき、駆動制御部４３から入力される推力指令Ｆは、倒立二輪型搬送車１０（第２のアクチュエータ１１）へ出力されず、信号発生部５５の発生する一定値（−Ｆ０）が、推力変換指令Ｆ’として出力される。

また、倒立二輪型搬送車１０が段差を通過しないとき、パルス生成部５１ａは、パルス信号ｗを切換スイッチ５３ａへ出力せず、切換スイッチ５３ａの出力端子は、端子ｂ側に接続され、駆動制御部４３から入力される推力指令Ｆは、そのまま推力変換指令Ｆ’として倒立二輪型搬送車１０（第２のアクチュエータ１１）へ出力される。

上記のように、倒立二輪型搬送車１０が走行経路に存在する段差などを登ったり降りたりして通過するときに、垂直加速度センサ１３は、垂直方向の加速度を検知し、信号変換部５２は、推力指令Ｆを変換して推力変換指令Ｆ’を倒立二輪型搬送車１０（第２のアクチュエータ１１）へ出力する。

このように、図２５に示す制御部は、第１のアクチュエータ３ａ，３ｂ及び第２のアクチュエータ１１に対して適切なトルク指令Ｔと推力変換指令Ｆ’とを与えて機体４の姿勢を平衡に維持する。また、制御部は、垂直加速度センサ１３により垂直方向の加速度を検知し、走行経路に存在する段差などの垂直方向の変位に対する段差乗り越えの制御を行う。この結果、垂直加速度センサ１３及び図２５に示す制御部を用いた倒立二輪型搬送車１０でも、段差乗り越えの動作シミュレーションの結果は、図２３と同様の結果となる。

すなわち、図２３に示すように、倒立二輪型搬送車１０が時刻ｔ２で図１５に示す段差に到達し、垂直加速度センサ１３が垂直方向の加速度を検出したとき、パルス生成部５１ａは、図２４に示すようなパルス信号ｗを信号変換部５２ａへ出力する。図２４のパルス信号ｗのパルス幅は、例えば、０．５秒とする。

信号変換部５２ａに入力されたパルス信号ｗは、切換スイッチ５３ａを端子ａ側に切り換え、駆動制御部４３から入力される推力指令Ｆは、制御系から遮断される。移動機構部７に作用する第２のアクチュエータ１１の推力Ｆは、信号発生部５４の発生する一定値Ｆ０となる。図２３の例では、信号発生部５４の発生する一定値Ｆ０を零出力とし、移動機構部７に作用する第２のアクチュエータ１１の推力Ｆは、図２３（ｅ）に示すように零となる。

また、倒立二輪型搬送車１０が時刻ｔ２で図１５に示す段差に到達したとき、図２３（ｃ）に示すように、相対変位量δとして、機体４は、第２のアクチュエータ１１の推力Ｆが零であっても、慣性力によって進行方向に約１０ｃｍだけ変位する。このように、機体４が進行方向に大きく変位するため、機体４は、進行方向に前傾姿勢になろうとする。

一方、時刻ｔ２の段差乗り越え時にも、車輪１ａ，１ｂの回転トルクＴは、制御系を構成しているので、機体４の姿勢制御が行われ、図２３（ｄ）に示すように、機体４が前傾姿勢とならないように、段差乗り越え方向に回転トルクＴが増大される。この回転トルクＴの反作用によって、図２３（ｂ）に示すように、機体４は、進行方向とは逆の方向に傾斜するが、傾斜角φは、−５°に抑制されている。この結果、図２３の場合には、倒立二輪型搬送車１０は、段差の位置で一瞬停止するが、図２２の場合と比較すれば、滑らかに段差乗り越えを行うことができる。

上記のように、本例では、垂直加速度検出部を構成する垂直加速度センサ１３が垂直方向の加速度を検出することにより、倒立二輪型搬送車１０が段差に到達したタイミングを検出し、パルス信号ｗが信号変換部５２ａへ入力される。パルス信号ｗは、信号変換部５２ａの切換スイッチ５３ａを端子ａ側に接続し、一定値Ｆ０（この場合、Ｆ０＝０）を出力する。そのタイミングで、第２のアクチュエータの推力Ｆを零にし、移動機構部７を慣性力によって機体４を進行方向へ変位させ、車輪１ａ，１ｂの回転トルクＴを増大させて段差乗り越えを行う。したがって、移動速度ｖの運動エネルギーは、段差乗り越えに有効に作用し、段差乗り越えに必要な車輪１ａ，１ｂの回転トルクＴは、図２２（ｄ）に比べて小さなトルクで十分である。

なお、上記の説明では、段差を登るときについてのシミュレーションを行ったが、本実施の形態の倒立二輪型搬送車１０は、垂直加速度センサ１３及び移動機構部７の作用により段差を登るときだけでなく、段差を降りるときにも、荷台を水平に維持しながら段差を移動することができる。

例えば、倒立二輪型搬送車１０が段差を登るときに、パルス生成部５１ａは、パルス信号ｗのみを信号変換部５２ａへ出力し、信号発生部５４の発生する一定値Ｆ０（Ｆ０＞０）が、推力変換指令Ｆ’として倒立二輪型搬送車１０の移動機構部７へ入力される。その結果、段差を登るときは、台車５に対して機体４を進行方向に変位させて搭乗座席８を水平に維持しながら、段差を移動させることができる。

一方、倒立二輪型搬送車１０が段差を降りるときには、パルス生成部５１ａは、パルス信号ｗと極性信号ｑとを信号変換部５２ａへ出力し、信号発生部５５の発生する一定値（−Ｆ０）（Ｆ０＞０）が、推力変換指令Ｆ’として倒立二輪型搬送車１０の移動機構部７へ入力される。その結果、段差を降りるときは、台車５に対して機体４を進行方向とは逆方向に変位させて搭乗座席８を水平に維持しながら、段差を移動させることができる。

なお、図２６の信号変換部５２ａの一例では、信号発生部５４及び信号発生部５５のそれぞれが発生する信号は、その極性が異なるが、その大きさは同じものとしたが、信号発生部５４及び信号発生部５５で発生する信号の大きさが異なるものであってもよい。

また、図２５のパルス生成部５１ａの一例では、入力された加速度信号ｚ¨に応じてパルス信号ｗ及び極性信号ｑの２つの信号を出力し、倒立二輪型搬送車１０が段差を登ったり降りたりしたときに、荷物もしくは人の搭載された機体４の全体の重心位置を進行方向に対して前方または後方へ強制移動させるように構成した。

しかしながら、倒立二輪型搬送車１０が段差を登ることだけを重要課題とするなら、図２５のパルス生成部５１ａは、倒立二輪型搬送車１０が段差を登るときにのみ、加速度信号ｚ¨に応じてパルス信号ｗを出力し、信号発生部５４の発生する一定値Ｆ０を推力変換指令Ｆ’として移動機構部７へ入力させることにより、台車５に対して機体４を進行方向に対して前方へ強制移動させるように構成してもよい。この場合には、図２５のパルス生成部５１ａは、極性信号ｑを生成する必要がなく、図２５の信号変換部５２ａは、信号発生部５５及び切換スイッチ５３ａの端子ｃを必要としないため、パルス生成部５１ａ及び信号変換部５２ａの構成を簡略化することができる。

以上の説明から明らかなように、本例では、台車５の垂直方向の加速度を検出する垂直加速度センサ１３を備えることにより、走行経路に存在する段差などの垂直方向の変位に対する段差乗り越えの制御を行う。この結果、従来の倒立二輪型搬送車では困難であった段差乗り越えに対して、本例の倒立二輪型搬送車１０は、荷物もしくは人の搭載された機体４全体の重心位置を進行方向に対して前方または後方へ移動させることができるので、段差の乗り越え走行を安定した姿勢で、より滑らかに行うことができるという効果がある。

なお、図２１及び図２３では、垂直方向の加速度を検出する垂直加速度センサ１３が、垂直方向の加速度を検知し、パルス生成部５１が、パルス信号ｗを信号変換部５２に出力したとき、推力変換指令Ｆ’として、大きさが零の一定値が０．５秒の期間だけ出力されるように設定した。しかしながら、大きさが零でない一定値のパルス状推力を出力してもよいし、パルス幅を変化させて第２のアクチュエータに一定値のパルス状推力を発生させるように設定してもよいことは言うまでもない。さらには、第２のアクチュエータ１１に作用させるパルス状推力の大きさ及びパルス幅は、倒立二輪型搬送車１０が段差に到達する直前の移動速度ｖの大きさや段差乗り越え時に機体４が受ける垂直方向の加速度信号ｚ¨の大きさに応じて変化させるようにしてもよい。

また、上記の説明では、回転角偏差θｅが処理されるブロック線図において、簡単のために、偏差補償部４５に含まれる積分部を１つだけにしたが、傾斜角偏差φｅが処理されるブロック線図と同様、積分部を２つ直列接続することにより、２重積分処理が行われるようにしてもよい。この場合も、機体４全体の重心位置を自動的に移動させて、荷物もしくは人を搭載する荷台を水平に維持しながら、登坂もしくは降坂させることができることは言うまでもない。

また、上記の説明では、機体４の傾斜姿勢を検出する傾斜センサにジャイロセンサを用いたが、このようなセンサに限らず、傾斜角や傾斜角速度の計測に用いることができる種々のセンサ、例えば、加速度センサ、床面に接触片を摺動させる型の傾斜角度センサ、重り吊り下げ型傾斜角度センサなどを用いることもできる。また、センサの取り付け位置も、機体４に特に限定されず、台車５に取り付けてもよい。

また、偏差補償部４５などは、アナログ・フィルタで構成するもので説明したが、ディジタル・フィルタで構成することも可能である。さらに、各実施の形態の制御系を構成する各部については、マイクロコンピュータによるソフトウェアにより実現するようにしてもよい。

上記の各実施の形態から本発明について要約すると、以下のようになる。すなわち、本発明に係る倒立二輪型搬送車は、荷物もしくは人を搭載可能な荷台を有する機体と、同軸上に間隔を隔てて配設された２つの車輪に支持された台車と、前記機体と前記台車との間に設けられ、前記台車の進行方向に対して前記機体と前記台車との相対位置を変位させる移動機構部と、鉛直方向に対する前記機体の姿勢を検出する傾斜検出部と、前記台車の走行状態を検出する走行検出部と、前記２つの車輪にそれぞれ回転力を発生させる第１のアクチュエータと、前記移動機構部を介して前記機体に推力を発生させる第２のアクチュエータと、前記第１のアクチュエータと前記第２のアクチュエータとにトルク指令と推力指令とを出力する駆動制御部と、前記台車の位置及び速度のうち少なくとも１つの目標指令値を生成する目標指令部と、前記目標指令値と前記傾斜検出部及び前記走行検出部の各検出信号とを入力され、前記目標指令値と前記検出信号との偏差を基に偏差補償信号を生成する偏差補償部と、少なくとも前記傾斜検出部及び前記走行検出部の各検出信号が入力され、前記機体の姿勢を制御する安定化信号を生成する安定化補償部とを備え、前記偏差補償部は、前記傾斜検出部の検出信号に基づく信号を時間に関して少なくとも２重積分する処理を用いて前記偏差補償信号を生成し、前記駆動制御部は、前記偏差補償信号と前記安定化信号とを基に前記トルク指令と前記推力指令とを生成する。

本倒立二輪型搬送車において、傾斜検出部の検出信号に基づく信号を時間に関して少なくとも２重積分する処理を用いて偏差補償信号を生成し、この偏差補償信号と、機体の姿勢を制御する安定化信号とから、第１のアクチュエータに対するトルク指令と、第２のアクチュエータ推力指令とを生成しているので、いかなる重さの荷物や人が荷台に搭載され、荷台の重心と機体の重心との位置がいかにずれたとしても、移動機構部が移動可能な範囲である限り、荷物もしくは人の搭載された機体全体の重心位置を車軸の位置に自動的に移動させ、荷台の水平バランスを維持することができる。したがって、坂道を登り降りするときにも、荷物もしくは人の搭載された荷台を常に水平に維持しながら移動することができるので、搭乗した人に不安感を与えることがなく、また搭載された荷物の横滑りや荷崩れの発生を防ぐことができる。また、移動機構部を設けることにより、走行経路に段差が存在しても、荷物もしくは人の搭載された機体全体の重心位置を進行方向の前方へ移動させることができるので、段差の乗り越え走行を安定した姿勢で行うことができる。さらに、荷台の平衡維持のために、特別な重錘やカウンタウェイトを必要とせず、機体重量や機体の大きさが増大しないという効果もある。

前記偏差補償部は、前記傾斜検出部の検出信号に基づく信号を積分する第１の積分部と、前記第１の積分部の出力を更に積分する第２の積分部と、前記第１の積分部の出力に第１の係数を乗算する第１の乗算部と、前記第２の積分部の出力に第２の係数を乗算する第２の乗算部と、前記第１の乗算部の出力と前記第２の乗算部の出力とを加算する加算部とを含み、前記偏差補償部は、前記加算部の加算結果を前記偏差補償信号に含めて出力することが好ましい。

この場合、傾斜検出部の検出信号に基づく信号を積分し、この出力を更に積分することにより、傾斜検出部の検出信号に基づく信号を時間に関して少なくとも２重積分することができ、この２重積分された信号に第２の係数を乗算した信号と、傾斜検出部の検出信号に基づく信号を積分した信号に第１の係数を乗算した信号とを加算しているので、傾斜検出部の検出信号に基づく信号を時間に関して少なくとも２重積分した信号を偏差補償信号に含めて出力することができる。したがって、登坂及び降坂時にも、機体が前傾姿勢になることがなく、移動機構部も水平に維持されるので、機体に作用する重力に対抗して第２のアクチュエータに推力を常に発生して位置ずれを保持する必要がなく、荷物もしくは人を搭載する荷台を常に水平に維持しながら移動することができる。この結果、人に不安感を与えることがなく、荷物の横滑りや荷崩れの発生を防ぐことができ、駆動のための消費電力を低減することができる。

上記倒立二輪型搬送車は、前記台車の垂直方向の加速度を検出する垂直加速度検出部をさらに備え、前記駆動制御部は、前記傾斜検出部の検出信号と前記走行検出部の検出信号とに応じて、前記第１のアクチュエータの回転トルクと前記第２のアクチュエータの推力とを制御するとともに、前記垂直加速度検出部によって検出された加速度の大きさに応じて、前記第２のアクチュエータの推力を調整することが好ましい。

この場合、台車の垂直方向の加速度を検出する垂直加速度検出部をさらに備えることにより、走行経路に存在する段差などの垂直方向の変位に対する制御を行うことができるので、段差の乗り越え走行を安定した姿勢で、より滑らかに行うことができる。

前記安定化補償部は、少なくとも前記傾斜検出部及び前記走行検出部の各検出信号と、前記トルク指令と、前記推力指令とを入力され、前記傾斜検出部及び前記走行検出部で検出できない状態変数を推定する状態観測部を含むことが好ましい。

この場合、傾斜検出部及び走行検出部の各検出信号と、トルク指令と、推力指令とから、傾斜検出部及び走行検出部を用いて検出できない状態変数を推定することができるので、傾斜検出部及び走行検出部を用いて検出できない状態変数を検出するためのセンサを特別に設ける必要がなく、装置のコストダウンを図ることができる。

前記傾斜検出部は、前記機体の鉛直方向に対する傾斜角及び傾斜角速度のうち少なくとも１つを検出することが好ましい。また、前記走行検出部は、前記２つの車輪の回転角、回転角速度及び回転角加速度のうち少なくとも１つを検出することが好ましい。

この場合、検出した状態変数から、検出していない他の状態変数を推定することができるので、検出していない状態変数を検出するためのセンサを特別に設ける必要がなく、装置のコストダウンを図ることができる。

本発明に係る他の倒立二輪型搬送車は、荷物もしくは人を搭載可能な荷台を有する機体と、同軸上に間隔を隔てて配設された２つの車輪に支持された台車と、前記機体と前記台車との間に設けられ、前記台車の進行方向に対して前記機体と前記台車との相対位置を変位させる移動機構部と、鉛直方向に対する前記機体の姿勢を検出する傾斜検出部と、前記台車の走行状態を検出する走行検出部と、前記台車の垂直方向の加速度を検出する垂直加速度検出部と、前記２つの車輪にそれぞれ回転力を発生させる第１のアクチュエータと、前記移動機構部を介して前記機体に推力を発生させる第２のアクチュエータと、前記第１のアクチュエータと前記第２のアクチュエータとにトルク指令と推力指令とを出力する制御部とを備え、前記制御部は、前記傾斜検出部の検出信号と前記走行検出部の検出信号とに応じて、前記第１のアクチュエータの回転トルクと前記第２のアクチュエータの推力とを制御するとともに、前記垂直加速度検出部によって検出された加速度の大きさに応じて、前記第２のアクチュエータの推力を調整する。

本倒立二輪型搬送車において、傾斜検出部の検出信号と走行検出部の検出信号とに応じて、第１のアクチュエータの回転トルクと第２のアクチュエータの推力とを制御するとともに、垂直加速度検出部によって検出された加速度の大きさに応じて、第２のアクチュエータの推力を調整しているので、台車の垂直方向の加速度を検出する垂直加速度検出部をさらに備えることにより、走行経路に存在する段差などの垂直方向の変位に対する制御を行うことができ、段差の乗り越え走行を安定した姿勢で、より滑らかに行うことができる。

前記制御部は、前記台車の位置及び速度のうち少なくとも１つの目標指令値を生成する目標指令部と、前記目標指令値と前記傾斜検出部及び前記走行検出部の各検出信号とを入力され、前記目標指令値と前記検出信号との偏差を基に偏差補償信号を生成する偏差補償部と、少なくとも前記傾斜検出部及び前記走行検出部の各検出信号が入力され、前記機体の姿勢を制御する安定化信号を生成する安定化補償部と、前記傾斜検出部の出力と前記走行検出部の出力に応じて、前記トルク指令と前記推力指令とを出力する駆動制御部とを備えることが好ましい。

この場合、台車の位置及び速度のうち少なくとも１つの目標指令値を生成し、この目標指令値と傾斜検出部及び走行検出部の検出信号との偏差を基に偏差補償信号を生成し、少なくとも傾斜検出部及び走行検出部の各検出信号から、機体の姿勢を制御する安定化信号を生成し、傾斜検出部の出力と走行検出部の出力に応じて、トルク指令と推力指令とを出力しているので、走行経路に存在する段差などの垂直方向の変位に対する制御をより安定的に行うことができ、段差の乗り越え走行をより安定した姿勢で、より滑らかに行うことができる。

前記制御部は、前記垂直加速度検出部によって検出された加速度に応じて、段差を登るときは前記台車に対して前記機体を進行方向に変位させ、段差を降りるときは前記台車に対して前記機体を進行方向とは逆方向に変位させることが好ましい。

この場合、検出された加速度に応じて、段差を登るときは台車に対して機体を進行方向に変位させ、段差を降りるときは台車に対して機体を進行方向とは逆方向に変位させているので、段差の乗り越え走行をより安定した姿勢で、より滑らかに行うことができる。

前記偏差補償部は、前記傾斜検出部の検出信号に基づく信号を時間に関して少なくとも２重積分する処理を用いて前記偏差補償信号を生成することが好ましい。

この場合、傾斜検出部の検出信号に基づく信号を時間に関して少なくとも２重積分する処理を用いて偏差補償信号を生成し、この偏差補償信号と、機体の姿勢を制御する安定化信号とから、第１のアクチュエータに対するトルク指令と、第２のアクチュエータ推力指令とを生成しているので、いかなる重さの荷物や人が荷台に搭載され、荷台の重心と機体の重心との位置がいかにずれたとしても、移動機構部が移動可能な範囲である限り、荷物もしくは人の搭載された機体全体の重心位置を車軸の位置に自動的に移動させ、荷台の水平バランスを維持することができる。

前記安定化補償部は、少なくとも前記傾斜検出部及び前記走行検出部の各検出信号と前記トルク指令と前記推力指令とを入力され、前記傾斜検出部及び前記走行検出部で検出できない状態変数を推定する状態観測部を含むことが好ましい。

この場合、傾斜検出部及び走行検出部の各検出信号と、トルク指令と、推力指令とから、傾斜検出部及び走行検出部を用いて検出できない状態変数を推定することができるので、傾斜検出部及び走行検出部を用いて検出できない状態変数を検出するためのセンサを特別に設ける必要がなく、装置のコストダウンを図ることができる。

前記制御部は、前記垂直加速度検出部によって検出された加速度の大きさに応じて、前記第２のアクチュエータにパルス状推力を発生させることが好ましい。

この場合、検出された加速度の大きさに応じて第２のアクチュエータにパルス状推力を発生させることにより、垂直方向の変位に対する制御を行い、種々の高さの段差の乗り越え走行を安定した姿勢で行うことができる。

前記制御部は、前記垂直加速度検出部によって検出された加速度の大きさが所定値を超えたとき、前記第２のアクチュエータにパルス状推力を発生させることが好ましい。

この場合、垂直方向の加速度の大きさが所定値を超えたとき、第２のアクチュエータにパルス状推力を発生させることにより、垂直方向の変位に対する制御を行い、所定の高さ以上の段差の乗り越え走行を安定した姿勢で行うことができる。

前記パルス状推力の波高値及び時間幅は、パルスを発生させる前の前記台車の移動速度の大きさに応じて変化されることが好ましい。

この場合、パルス状推力の波高値及び時間幅が、パルスを発生させる前の台車の移動速度の大きさに応じて変化されるので、台車の移動速度が異なる場合でも、台車の移動速度に適した垂直方向の変位に対する制御を行い、段差の乗り越え走行を常に安定した姿勢で行うことができる。

前記パルス状推力の大きさは、零であることが好ましい。

この場合、機体を慣性力で進行方向へ変位させ、車輪の回転トルクを増大させて段差乗り越えを行うことができるので、移動速度の運動エネルギーが段差乗り越えに有効に作用し、段差乗り越えに必要な車輪の回転トルクを十分小さくすることができる。

前記傾斜検出部は、前記機体の鉛直方向に対する傾斜角及び傾斜角速度の少なくとも１つを検出することが好ましい。

この場合、検出した状態変数から、検出していない他の状態変数を推定することができるので、検出していない状態変数を検出するためのセンサを特別に設ける必要がなく、装置のコストダウンを図ることができる。

本発明に係る倒立二輪型搬送車の制御方法は、荷物もしくは人を搭載可能な荷台を有する機体と、同軸上に間隔を隔てて配設された２つの車輪に支持された台車と、前記機体と前記台車との間に設けられ、前記台車の進行方向に対して前記機体と前記台車との相対位置を変位させる移動機構部と、鉛直方向に対する前記機体の姿勢を検出する傾斜検出部と、前記台車の走行状態を検出する走行検出部と、前記２つの車輪にそれぞれ回転力を発生させる第１のアクチュエータと、前記機体に前記移動機構部を介して推力を発生させる第２のアクチュエータと、前記第１のアクチュエータと前記第２のアクチュエータとにトルク指令と推力指令とを出力する駆動制御部と、目標指令値を生成する目標指令部と、偏差補償信号を生成する偏差補償部と、安定化信号を生成する安定化補償部とを備える倒立二輪型搬送車の制御方法であって、前記目標指令部が、前記台車の位置及び速度の少なくとも１つの目標指令値を生成するステップと、前記偏差補償部が、前記目標指令値と前記傾斜検出部及び前記走行検出部の各検出信号とを入力され、前記目標指令値と前記傾斜検出部及び前記走行検出部の各検出信号との偏差を基に、前記傾斜検出部の検出信号に基づく信号を時間に関して少なくとも２重積分する処理を用いて前記偏差補償信号を生成するステップと、前記安定化補償部が、少なくとも前記傾斜検出部及び前記走行検出部の各検出信号を入力され、前記機体の姿勢を制御する安定化信号を生成するステップと、前記駆動制御部が、前記偏差補償信号と前記安定化信号とを基に前記トルク指令と前記推力指令を生成するステップとを含む。

本発明に係る他の倒立二輪型搬送車の制御方法は、荷物もしくは人を搭載可能な荷台を有する機体と、同軸上に間隔を隔てて配設された２つの車輪に支持された台車と、前記機体と前記台車との間に設けられ、前記台車の進行方向に対して前記機体と前記台車との相対位置を変位させる移動機構部と、鉛直方向に対する前記機体の姿勢を検出する傾斜検出部と、前記台車の走行状態を検出する走行検出部と、前記台車の垂直方向の加速度を検出する垂直加速度検出部と、前記２つの車輪にそれぞれ回転力を発生させる第１のアクチュエータと、前記機体に前記移動機構部を介して推力を発生させる第２のアクチュエータと、前記第１のアクチュエータと前記第２のアクチュエータにトルク指令と推力指令とを出力する制御部とを備える倒立二輪型搬送車の制御方法であって、前記制御部が、前記台車の位置及び速度の少なくとも１つの目標指令値を生成するステップと、前記制御部が、前記傾斜検出部及び前記走行検出部の各検出信号を入力され、前記目標指令値と前記傾斜検出部及び前記走行検出部の各検出信号との偏差を基に、偏差補償信号を生成するステップと、前記制御部が、少なくとも前記傾斜検出部及び前記走行検出部の各検出信号から前記機体の姿勢を制御する安定化信号を生成するステップと、前記制御部が、前記偏差補償信号と前記安定化信号とを基に前記トルク指令と前記推力指令を生成するとともに、前記垂直加速度検出部によって検出された加速度の大きさに応じて、前記第２のアクチュエータの推力を調整するステップとを含む。

本発明に係る倒立二輪型搬送車及びその制御方法は、坂道を登り降りするときにも、荷物もしくは人の重量物を搭載する荷台を常に水平に維持し安定した姿勢で走行でき、さらには、倒立二輪型搬送車の走行経路に段差があっても段差の乗り越え走行を安定した姿勢で行うことができるので、荷物もしくは人の運搬作業を行う搬送車であって、本来不安定な機体を平衡させて荷物もしくは人を安定に運ぶための機構技術及び制御技術を備えた倒立二輪型搬送車等に有用であり、また、倒立二輪型搬送車以外の、制御による平衡動作を用いた乗り物やロボット等の用途にも応用できる。

Claims (7)

1. 荷物もしくは人を搭載可能な荷台を有する機体と、
   ２つの車輪に支持された台車と、
   前記機体と前記台車との間に設けられ、前記台車の進行方向に対して前記機体と前記台車との相対位置を変位させる移動機構部と、
   鉛直方向に対する前記機体の姿勢を検出する傾斜検出部と、
   前記台車の走行状態を検出する走行検出部と、
   前記２つの車輪にそれぞれ回転力を発生させる第１のアクチュエータと、
   前記移動機構部を介して前記機体に推力を発生させる第２のアクチュエータと、
   前記第１のアクチュエータと前記第２のアクチュエータとにトルク指令と推力指令とを出力する駆動制御部と、
   前記台車の位置及び速度のうち少なくとも１つの目標指令値を生成する目標指令部と、
   前記目標指令値と前記傾斜検出部及び前記走行検出部の各検出信号とを入力され、前記目標指令値と前記検出信号との偏差を基に偏差補償信号を生成する偏差補償部と、
   少なくとも前記傾斜検出部及び前記走行検出部の各検出信号が入力され、前記機体の姿勢を制御する安定化信号を生成する安定化補償部とを備え、
   前記偏差補償部は、前記傾斜検出部の検出信号に基づく信号を時間に関して少なくとも２重積分する処理を用いて前記偏差補償信号を生成し、
   前記駆動制御部は、前記偏差補償信号と前記安定化信号とを基に前記トルク指令と前記推力指令とを生成すること
   を特徴とする倒立二輪型搬送車。
2. 前記偏差補償部は、前記傾斜検出部の検出信号に基づく信号を積分する第１の積分部と、前記第１の積分部の出力を更に積分する第２の積分部と、前記第１の積分部の出力に第１の係数を乗算する第１の乗算部と、前記第２の積分部の出力に第２の係数を乗算する第２の乗算部と、前記第１の乗算部の出力と前記第２の乗算部の出力とを加算する加算部とを含み、
   前記偏差補償部は、前記加算部の加算結果を前記偏差補償信号に含めて出力すること
   を特徴とする請求項１に記載の倒立二輪型搬送車。
3. 前記台車の垂直方向の加速度を検出する垂直加速度検出部をさらに備え、
   前記駆動制御部は、前記傾斜検出部の検出信号と前記走行検出部の検出信号とに応じて、前記第１のアクチュエータの回転トルクと前記第２のアクチュエータの推力とを制御するとともに、前記垂直加速度検出部によって検出された加速度の大きさに応じて、前記第２のアクチュエータの推力を調整すること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の倒立二輪型搬送車。
4. 前記安定化補償部は、少なくとも前記傾斜検出部及び前記走行検出部の各検出信号と、前記トルク指令と、前記推力指令とを入力され、前記傾斜検出部及び前記走行検出部で検出できない状態変数を推定する状態観測部を含むこと
   を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の倒立二輪型搬送車。
5. 前記傾斜検出部は、前記機体の鉛直方向に対する傾斜角及び傾斜角速度のうち少なくとも１つを検出すること
   を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の倒立二輪型搬送車。
6. 前記走行検出部は、前記２つの車輪の回転角、回転角速度及び回転角加速度のうち少なくとも１つを検出すること
   を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の倒立二輪型搬送車。
7. 荷物もしくは人を搭載可能な荷台を有する機体と、２つの車輪に支持された台車と、前記機体と前記台車との間に設けられ、前記台車の進行方向に対して前記機体と前記台車との相対位置を変位させる移動機構部と、鉛直方向に対する前記機体の姿勢を検出する傾斜検出部と、前記台車の走行状態を検出する走行検出部と、前記２つの車輪にそれぞれ回転力を発生させる第１のアクチュエータと、前記機体に前記移動機構部を介して推力を発生させる第２のアクチュエータと、前記第１のアクチュエータと前記第２のアクチュエータとにトルク指令と推力指令とを出力する駆動制御部と、目標指令値を生成する目標指令部と、偏差補償信号を生成する偏差補償部と、安定化信号を生成する安定化補償部とを備える倒立二輪型搬送車の制御方法であって、
   前記目標指令部が、前記台車の位置及び速度の少なくとも１つの目標指令値を生成するステップと、
   前記偏差補償部が、前記目標指令値と前記傾斜検出部及び前記走行検出部の各検出信号とを入力され、前記目標指令値と前記傾斜検出部及び前記走行検出部の各検出信号との偏差を基に、前記傾斜検出部の検出信号に基づく信号を時間に関して少なくとも２重積分する処理を用いて前記偏差補償信号を生成するステップと、
   前記安定化補償部が、少なくとも前記傾斜検出部及び前記走行検出部の各検出信号を入力され、前記機体の姿勢を制御する安定化信号を生成するステップと、
   前記駆動制御部が、前記偏差補償信号と前記安定化信号とを基に前記トルク指令と前記推力指令を生成するステップとを含むこと
   を特徴とする倒立二輪型搬送車の制御方法。

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