JP5177692B2

JP5177692B2 - 一対の片足載置型移動体を組み合わせた乗用移動装置

Info

Publication number: JP5177692B2
Application number: JP2009210023A
Authority: JP
Inventors: 治松本; 年延竹囲
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2029-09-11
Also published as: JP2011057111A

Description

本発明は、一対の片足載置型移動体を組み合わせた乗用移動装置に関するものである。

近年、小型・軽量タイプのパーソナルモビリティとして、平行二輪独立駆動型倒立振子システムの研究開発がさかんに行われている。
この形態は車輪数が２つと少ない形態でありながら、前後のバランスを車輪の制御で確保することで、その場での静止が行えると同時に、左右車輪を独立に制御することで前・後進、旋回を行うことができる。また、モビリティの占有面積を小さくできるため、人混みの中などで使用する場合の親和性も良い。

しかし一方で、こうしたシステムでは、
（１）走行・操舵を実現するために二輪それぞれに駆動モータ等のアクチュエータを設け、しかも使用者が両足を載置できるよう、大型のステップが必要となり、さらなる小型軽量化が困難であること。
（２）２輪走行が基本となっているために拡張性に乏しいこと。
（３）大きな段差や階段の昇降は、実質不可能で、特別な補助装置を付加する必要があること。
などの問題がある。

そこで、２輪ではなく１輪の乗用移動体がいくつか提案されている。
特許文献１、特許文献２では、ハンドル付きおよびハンドルなしの１輪乗用移動体の機構が、また、特許文献３では、複数の車輪が並列に接近して配置される形態のハンドル付き乗用移動体の機構が提案されている。

特表2003-508285号公報特表2003-502002号公報特開2005-162060号公報

特許文献１、２は１輪乗用移動体の機構の提案であるが、ロール方向の安定化手法については開示されておらず、乗車時、使用者は１輪の両側に設けられたステップ上に両足を載置しなければならないため、大きな段差や階段の昇降は実質不可能である。
特許文献３は、前後左右方向の安定化手法を提案しているものの、使用者は、やはり、１輪の両側に設けられたステップ上に両足を載置しなければならないため、大きな段差や階段の昇降は実質不可能であり、しかも、使用者の全体重移動に対し左右バランスを確保しなければならないため、左右方向の傾斜に対する許容範囲が限定されてしまうという実用上の問題がある。
そこで、本発明で提案する移動体は、乗用移動装置として、１つの駆動車輪を持つ移動体を独立したユニットとし、使用者の各足をそれぞれの移動体に載置することを基本とし、単体での乗車や段差踏破なども可能であると同時に、さまざまな形態による移動体を実現することを課題とする。

そこで、上記の課題を解決するため、本発明の乗用移動体は、一対の片足載置型移動体を組み合わせた乗用移動装置であって、各移動体は、上面に片足が載置されるステップ、回転自在に支持された１輪の車輪、該車輪を駆動するモータ及び該モータを制御する制御装置を備えており、前記制御装置は、各移動体のピッチ方向の角度、角速度を検出するセンサの検出値及び車輪回転角速度を検出するセンサの検出値に基づいて、ピッチ方向のバランスを取るとともに、両者を接続する赤外線、電波等の無線による送受信機を備えており、各移動体のピッチ角度に基づいて、各移動体の進行方向及び進行速度を連携制御する手段を備えている。
また、使用者の搭乗の有無、車輪の地面からの浮上等を検知するため、前記乗用移動体において、前記ステップ上、あるいはステップ下に、力センサを設けてもよい。

また、前記乗用移動体において、前記ステップに、使用者の足あるいは靴を固定するための、つま先挿入部やベルト等を組み合わせてなる固定部を設けてもよい。

さらに、前記移動体の上面先端に、上端に使用者用グリップを備えたハンドルバーを着脱自在に取り付け可能の円筒部を設けてもよい。

前記使用者用グリップに、前記制御装置の電源オン・オフ及び制御モードを切り換えるコントローラを設けてもよい。

また、前記制御装置に赤外線、電波等の無線による送受信機を設け、一方の移動体が持ち上げられたとき、他方の移動体を静止あるいはロックするよう、他方の移動体の制御装置に制御信号を送るようにしてもよい。

さらに、前記移動体の各中央側側面部に、ユニバーサルジョイントで結合された軸の両端部を回転自在かつ着脱自在に連結できるようにしてもよい。

本発明による一対の片足載置型移動体を組み合わせた乗用移動装置によれば、使用者が１対の移動体に各足を載置し、使用者自身が左右バランスを取ること前提し、各移動体の制御装置が移動体のピッチ角度、角速度、車輪の回転角速度に基づいて、モータトルクを演算することにより、小型軽量化、制御の簡略化、走行環境に応じて、柔軟に制御態様を設定することができ、例えば、特別の補助装置を設けることなく、大きな段差や階段の昇降を実現することができる。

さらに、使用者が、例えば、ハンドルバーのグリップに取り付けたコントローラや、腕等に装着したジャイロ内蔵型赤外線式コントローラ等を用いて、制御装置の電源をオン・オフしたり、制御モードを切り換え、走行速度、操向、ブレーキなどを制御することができ、また、両移動体の制御装置を、赤外線や電波による送受信機を用いて接続し、双方の制御を様々な態様で連携させれば、様々な段差や障害物にも円滑かつ安全に走行することが可能になる。

片足載置型移動体の全体を示す図片足載置型移動体を側方からみた図片足載置型移動体を下方からみた内部構造を示す図片足載置型移動体を正面からみた内部構造を示す図制御装置のブロック図を示す図ピッチ角度制御の原理を示す図片足載置型移動体にハンドルバーを取り付けて段差を登る際のシーケンスを示す図ストッパを備えた片足載置型移動体の全体を示す図

図1は、本発明による片足載置型の移動体の一形態の全体図を示す。
移動体１の上面には、使用者の片足が載置されるステップ２が形成されており、このステップ２に、使用者の足、あるいは靴を固定するための、つま先挿入部やベルト等を組み合わせてなる固定部を設けてもよい。

移動体１の内部には、１輪の車輪３が、回転自在に支持されており、２個１組の移動体に各足を載置することにより、使用者自身が左右バランスを取ることにより自立させることを基本としている。
この実施例では、車輪３の両側に、補助用遊動輪４が、回転自在かつ高さ調整自在に取り付けられているが、これは、小児あるいは不慣れな者などが使用する際に、使用時、移動体１を安定させるために適宜装着されるものであり、走行時、使用者の左右への体重移動に伴い、ある程度左右に傾斜できるよう、サスペンション機構を設けてもよいし、テレビゲームなどにも使用されるジャイロ内蔵型無線式のコントローラ等の操作により、使用後安定してから電動アクチュエータにより補助用遊動輪４を退避させるような機構を設けてもよい。

図２〜図４に、移動体１の内部構造を示す。
モータ５からの駆動力は、モータ出力軸歯車６、歯付きベルト７を介して、車輪３の車軸８に取り付けられた歯車６に伝達され、このモータ５は、移動体１の内部に設けられた制御装置９により、その回転方向及び回転速度が制御されるように構成されている。なお、歯付きベルト７に代え、複数の歯車を組み合わせて、モータ出力を伝達するようにしてもよい。また、車輪の中にモータを埋め込む形態のインホイールモータにしてもよい。

移動体１の内部には、充放電可能なバッテリ１０ａ、１０ｂが左右に配置されており、モータ５にモータドライバを介して電力を供給し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１を介して、制御装置９に電力を供給するとともに、移動体１の側面に設けられた充電用コネクタを介して、家庭用電源により充電できるようになっている。

ステップ２の上面もしくは移動体１の内部には、使用者が片足を載置したことを検出する力センサ１２を設置してもよい。
また、移動体１の内部には、ピッチ角（移動方向に対し前後方向の傾斜角度）速度センサであるレートジャイロ１３、ピッチ角度センサである加速度計１４及び車輪３の回転角速度を検出するロータリエンコーダ１５等が設けられている。

図５に、レートジャイロ１３及び加速度計１４からの検出値に基づく、制御装置９のブロック図を示す。
使用者によるコントローラ指示や力センサ１２により、使用者が片足をステップ２に載置したことが確認されると、制御装置９の電源がスタンバイから切り換えられ、モータドライバを介してモータ５の制御を開始する。
この制御装置９の基本は、レートジャイロ１３、加速度計１４及びロータリエンコーダ１５に基づいて、ピッチ方向のバランスを取るとともに、移動体１の目標速度を演算して、走行速度を制御することである。

使用開始時は、両方の足を、対となる移動体１のそれぞれに順次載置することになるが、移動体のピッチ角度がほぼ水平になった段階でモータ５の制御が開始される。これは、使用者が前述の無線式コントローラを使用してコントールするようにしてもよいし、各移動体１が双方に赤外線等の信号をやりとりし、両方の移動体のピッチ角度がほぼ水平になった段階で、モータ５の制御を開始してもよい。

移動体のモータ制御が開始されると、レートジャイロ１３及び加速度計１４は、直立時における使用者のわずかな前傾、後傾を検出して、前傾すれば、モータ５を制御して、車輪３をわずかに前方方向に加速させ、また、後傾すれば、車輪３をわずかに後方方向に加速させることにより、ステップ２を水平に維持する。さらに、この効果により、使用者が意図的に前傾、後傾することで、前進、後進を行う。
すなわち、図６に示すように、レートジャイロ１３及び加速度計１４により検出された移動体のピッチ方向の傾斜角度をθ_１、レートジャイロ１３により検出された移動体１の傾斜角速度をｄθ_１／ｄｔ、車輪回転角速度を検出するロータリエンコーダ１５により検出された車輪回転角速度をｄθ_２／ｄｔ、必要なモータトルクをＴとしたとき、
Ｔ＝ｋ_１θ_１＋ｋ_２ｄθ_１／ｄｔ＋ｋ₃ｄθ_２／ｄｔ（ｋ_１〜ｋ₃フィードバックゲイン）となるように、モータトルクを制御する。
なお、その際、移動体１は、微小な前後移動を繰り返すが、フィードバックゲインｋ_１〜ｋ₃を適切に設定することで、前後方向の移動を数mm程度に抑制することが必要である。

使用者が左に操向したい場合は、右足側移動体のステップ２上でつま先荷重を増大させれば、右足側移動体の速度が上昇し、スムースに左側に移動方向を変更することができる。なお、このとき、左足側移動体のステップ２上で身体を後傾させれば、左足側移動体を減速することができ、さらに急角度で操向することが可能になる。
右に操向したい場合は、逆に左足側のステップ上でつま先荷重を増大させればよい。

さて、以上により、使用者は、直立、静止、前進、ブレーキ、左右操向を自由に行うことができるが、図７に示されるように、移動体１の先端付近に設けた円筒状の装着部１６に、グリップを上端に備えたハンドルバー１７を取り付けると、さらに移動体１の安定化を図ることができ、段差や階段をスムースに昇降できるようになる。

図７に段差を登る際のシーケンスを示す。
（１）使用者はまず、後傾姿勢を取るなどしてブレーキをかけた後、各移動体を階段の直前で静止させ、一度直立姿勢を取る。
（２）停止後、ハンドルバー１７も使用して、一方の移動体を使用者の手足の力で持ち上げる。
（３）持ち上げられた移動体側の制御装置９は、力センサ１２の検出荷重が急激に減少したことを検知し、車輪駆動用のモータ５を停止、あるいはロック状態にする。
（４）持ち上げた側の車輪３が段差上面に接地すると、制御装置９は、力センサ１２の検出値に基づいて確実に着地が終了したことを判断し、安定化制御を再開する。
（５）次に、下側の移動体を使用者の手足の力で持ち上げる。
（６）同様に、踏面力センサ１２の信号により、持ち上げた側の移動体の車輪駆動用モータ５が停止、あるいはロック状態になり、段差上面に車輪が接地したら安定化制御が再開される。
以上のシーケンスを繰り返すことにより、階段昇りを円滑に実現することが可能になる。
なお、上記の実施例では、ハンドルバー付きの場合を示したが、使用者の足あるいは靴を固定するための、つま先挿入部やベルト等を組み合わせてなる固定部を設けた場合は、ハンドルバーがなくても足を持ち上げることで、同様のシーケンスが実現できる。

なお、上記の実施例では、階段等を昇降する際に、図８に示されるように、両片足載置型移動体の移動体１のつま先側に、移動体１を所定角度以上前傾させたときに床面に接するストッパ１８を設け、階段昇降時にロックさせるようにしてもよい。この場合、制御装置９が、ピッチ角センサ１３の検出角度が所定角度以上になったことを検知して、ピッチ角度制御及び速度制御を停止して、ストッパ１７によるロックが確実維持されるようにすることが好ましい。

さらに、移動体の前端面に、障害物との接触を検知するセンサを設け、着足側の移動体１が段差面に接触したのを検知して、移動体をロックするようにしてもよい。

以上のように、本発明は、使用者が１対の移動体に各足を載置し、使用者自身が左右バランスを取ることを前提し、各移動体の制御装置により、移動体のピッチ角度、角速度、車輪回転角速度に基づいて、ピッチ方向のバランスを取り、かつ走行制御を行うことにより、小型軽量化、制御の簡略化、走行環境に応じて、柔軟に制御態様を設定することができ、特別の補助装置を設けることなく、大きな段差や階段の昇降を実現することができる。

例えば、使用者が、例えば、ハンドルバー１７のグリップに取り付けたコントローラ等を用いて、制御装置９の電源をオン・オフしたり、制御モードを切り換え、走行速度、操向、ブレーキなどを制御したり、自己の運動能力に応じて、フィードバックゲインを調整できるようにしてもよいし、また、両移動体の制御装置に、赤外線、無線等による送受信機を設けて両者を接続し、双方の制御を様々な態様で連携させれば、様々な段差や障害物にも円滑かつ安全に走行することが可能になる。

なお、本発明の移動体は、車輪３のタイヤ幅を広めにしたり、補助用遊動輪４を使用することにより、遊動運動能力の優れた者であれば、車１個の移動体のみを使用して、走行を楽しむこともできる。
逆に、初心者用向けに、ユニバーサルジョイントで結合された軸の両端部を、左右の移動体の中央側側面部に、回転自在かつ着脱自在に連結することにより、両移動体が常に所定間隔を維持するようにすることもでき、簡単かつ安全に走行を楽しむことができる。

本発明の移動体によれば、スポーツや娯楽として使用することはもとより、特に、歩行が困難な高齢者、障害者であっても、直立さえ可能であれば、各移動体に段差乗り越えを補助する油圧式昇降機を、グリップに設けた操作装置で操作する等の補助装置を設けることにより、自由な歩行を楽しむことができる。

１移動体
２ステップ
３車輪
４補助用遊動輪
５モータ
６歯車
７歯付ベルト
８車輪軸
９制御装置
１０ａ、１０ｂバッテリ
１１ＤＣ／ＤＣコンバータ
１２力センサ
１３レートジャイロ
１４加速度計
１５ロータリエンコーダ
１６円筒状の装着部
１７ハンドルバー
１８ストッパ

Claims

一対の片足載置型移動体を組み合わせた乗用移動装置であって、
各移動体は、上面に片足が載置されるステップ、回転自在に支持された１輪の車輪、該車輪を駆動するモータ及び該モータを制御する制御装置を備えており、
前記制御装置は、各移動体のピッチ方向の角度、角速度を検出するセンサの検出値及び車輪回転角速度を検出するセンサの検出値に基づいて、ピッチ方向のバランスを取るとともに、両者を接続する赤外線、電波等の無線による送受信機を備えており、
各移動体のピッチ角度に基づいて、各移動体の進行方向及び進行速度を連携制御する手段を備えたことを特徴とする乗用移動装置。
前記ステップに、使用者の搭乗の有無、車輪の地面からの浮上等を検知するため、前記乗用移動体において、前記ステップ上、あるいはステップ下に、力センサを設けた請求項１記載の乗用移動装置。
前記ステップに、使用者の足あるいは靴を固定するための、つま先挿入部やベルト等を組み合わせてなる固定部を設けた請求項１または２記載の乗用移動装置。
前記移動体の上面先端に、上端に使用者用グリップを備えたハンドルバーを着脱自在に取り付け可能の円筒部を設けた請求項１〜３記載の乗用移動装置。
前記使用者用グリップに、前記制御装置の電源オン・オフ及び制御モードを切り換えるコントローラを設けた請求項４記載の乗用移動装置。
前記制御装置は、一方の移動体が持ち上げられたとき、他方の移動体を静止あるいはロックするよう、他方の移動体の制御装置に制御信号を送るようにした請求項１〜５に記載の乗用移動装置。
前記移動体の各中央側側面部に、ユニバーサルジョイントで結合された軸の両端部を回転自在かつ着脱自在に連結できるようにした請求項１〜６に記載の乗用移動装置。