JP5270307B2 - 移動体 - Google Patents

Description

本発明は、移動体に関し、特に詳しくは、全方位車輪を用いた移動体に関する。

近年、搭乗者を搭乗させた状態で移動する移動体が開発されている（特許文献１、２）。例えば、特許文献１〜３では、搭乗者が搭乗する搭乗面（座面）に力センサ（圧力センサ）を設けている。そして、力センサからの出力によって、車輪を駆動している。すなわち、力センサが操作手段となって、入力が行われている。

特許文献１の移動体では、進みたい方向に体重をかけることで移動している。例えば、前方に進みたい場合、搭乗者が上体を前方に傾ける。すなわち、搭乗者が前傾姿勢になる。そして、前傾姿勢になると搭乗席に加わる力が変化する。そして、この力及びモーメントを力センサで検出する。力センサの検出結果によって、球状タイヤを駆動している。特許文献１の図１４には、搭乗者が搭乗席に座った状態で、倒立振子制御を行っている。特許文献２には、車椅子型の移動体が開示されている。この移動体には、椅子とフットレストが設けられている。

また、特許文献３には、利用者の動作を能動的に検知して、それに応じて自律的に動作する移動体が開示されている。例えば、複数の圧力センサによって、利用者の重心を計算している。この重心位置に応じて、車椅子形状の移動体が動作している（図２）。

さらに、特許文献４では、２足歩行型の移動体を動作させるためのインタフェイス装置が開示されている。このインタフェイス装置は、椅子型形状を有している。そして、椅子の背面と座面に複数の力センサを設けている。４つの力センサによって、搭乗者の骨盤旋回を検知して、歩行意思を推定している。そして、力センサによって推定された歩行意志に応じて両脚を駆動している。また、このインタフェイス装置には、足置き台が設けられている。

特開２００６−２８２１６０号公報 特開平１０−２３６１３号公報 特開平１１−１９８０７５号公報 特開平７−１３６９５７号公報

特許文献１では、１つの球状走行体を用いてロボットを移動させている。すなわち、球状走行体が全方位車輪として機能している。そして、この全方位車輪を駆動することで、任意の方向に移動することが可能になる。例えば、搭乗者が移動したい方向に上体を傾けると、その方向に移動体が移動する。これにより、真横の方向に移動することも可能になる。

しかしながら、全方位車輪を用いると、移動体の向きが変わらずに移動することになる。搭乗者が向きが全く変わることなく移動することになってしまう。したがって、搭乗者が進行方向を確認しづらくなってしまう。また、安全に移動することを考えると、移動速度を高くすることが困難になってしまう。よって、操作性が低下してしまい、意図通りに移動することが困難になってしまうという問題点がある。

このように、従来の移動体では、搭乗者の意図通りに、操作することができないという問題点がある。

本発明は、高い操作性を有する移動体を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係る移動体は、ユーザの体重移動に応じて移動する移動体であって、本体部と、前記本体部に対して回転可能に取り付けられた全方位車輪と、前記車輪を駆動する駆動部と、前記ユーザが搭乗するために設けられた搭乗席と、前記搭乗席の搭乗面に加わる力に応じた計測信号を出力するセンサと、前記本体部に対して前記搭乗席をヨー軸周りに回転可能に支持する支持部と、前記支持台の前記ヨー軸周りの回転角を検出するために設けられた回転角センサと、前記センサ及び前記回転角センサからの出力に応じて、前記全方位車輪を回転させるための指令値を前記駆動部に出力する制御部と、を備えるものである。これにより、搭乗者が向きを変えることができるため、操作性を向上することができる。

本発明の第２の態様に係る移動体は、上記の移動体であって、前記搭乗席において、前記搭乗者が搭乗する向きが確定されていることを特徴とするものである。これにより、簡便に前方方向を特定することができる。

本発明の第３の態様に係る移動体は、上記の移動体であって、前記センサが前記搭乗席とともに前記支持台によって回転可能に支持されているこを特徴とするものである。これにより、簡便に指令値を算出することができる。

本発明によれば、高い操作性を有する移動体を提供することができる。

以下、本発明に係る小型車両の実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

発明の実施の形態１．
実施形態１に係る移動体１について、図１、図２を用いて説明する。図１は、移動体１の構成を模式的に示す正面図であり、図２は、移動体１の構成を模式的に示す側面図である。なお、図１、及び図２には、ＸＹＺの直交座標系が示されている。Ｙ軸が移動体１の左右方向を示し、Ｘ軸が移動体１の前後方向を示し、Ｚ軸が鉛直方向を示している。従って、Ｘ軸がロール軸に対応し、Ｙ軸がピッチ軸、Ｚ軸がヨー軸となる。図１、２において、＋Ｘ方向が搭乗席８の前方向であるとして説明する。

図１に示すように移動体１は、搭乗部３、及び車台１３を有している。車台１３は、移動体１の本体部であり、搭乗部３を支持している。車台１３は、車輪６、筐体１１、制御計算部５１、バッテリ５２等を備えている。車輪６は、全方位車輪（オムニホイール）である。ここでは、３つの車輪６が設けられている３輪型の移動体１として説明する。３つの車輪６には、それぞれ駆動モータ６０３が取り付けられている。もちろん、車輪６の数は、４つでもよく、それ以外でもよい。駆動モータ６０３を介して、車輪６は車台１３に対して回転可能に取り付けられている。

駆動モータ６０３は、車輪６を回転駆動する。車輪６は、全方位車輪であるため、駆動モータ６０３の回転駆動方向と直交する方向にも回転する。車輪６は、図３のように配置されている。なお、図３は、移動体１に設けられた車輪６の配置を説明するための上面図である。ここでは、車台１３の前方向と搭乗席８の前方向が一致しているとして説明する。３つの車輪６の中心が正三角形の頂点に配置されるように配置されている。３つの車輪６の回転駆動方向（矢印方向）は６０°ずつ傾いている。したがって、各駆動モータの車軸は、６０°ずつ異なっている。ここでは、後方（−Ｘ方向）の車輪６に対する駆動モータ６０３の回転軸は、Ｘ方向と一致している。残りの２つの車輪６うち、一方の車輪６に対する駆動モータの回転軸は、Ｘ方向から＋６０°傾いており、他方の車輪６に対する駆動モータ６０３の回転軸は、Ｘ方向から−６０°傾いている。

車輪６は、ユニバーサルホイールである。したがって、車輪６には、回転駆動方向と直交する方向に、回転するローラ（小車輪）が設けられている。すなわち、車輪６の外周に小径のローラが取り付けられている。ローラの回転軸は、車輪６の車軸と直交する。複数のローラが車輪６の外周に沿って配列されている。このように、合成型全方向車輪を車輪６として用いている。これにより、任意の方向に対して直進することができる。すなわち、車台１３の向きを変えることなく、任意の方向に移動することができる。ここでは、回転軸がＸ方向と平行な車輪６が車台１３の後部に配置された後輪となり、残りの２つの車輪６が車台１３の前部に配置された前輪とする。

搭乗部３は、搭乗席８、及び力センサ９を有している。そして、搭乗席８の上面が座面８ａとなる。すなわち、座面８ａの上に、搭乗者が乗った状態で移動体１が移動する。座面８ａは平面でもよいし、臀部の形に合わせた形状となっていてもよい。さらに、搭乗席８に背もたれ８ｂが設けられている。背もたれ８ｂによって搭乗者が座る向きが確定する。すなわち、背もたれ８ｂに搭乗者の背中が向けられるため、背もたれ８ｂの反対側が搭乗者の前側となる。乗り心地を向上するために、搭乗席８にクッション性を持たせてもよい。移動体１が水平面上にある場合、座面８ａが水平になっている。力センサ９は、搭乗者の体重移動を検知する。すなわち、力センサ９は、搭乗席８の座面８ａに加わる力を検出する。そして、力センサ９は、座面８ａに加わる力に応じた計測信号を出力する。力センサ９は、搭乗席８の下側に配置される。すなわち、車台１３と搭乗席８の間に、力センサ９が配設されている。

力センサ９としては、例えば、６軸力センサを用いることができる。この場合、図４に示すように、３軸方向の並進力（ＳＦｘ、ＳＦｙ、ＳＦｚ）と各軸周りのモーメント（ＳＭｘ、ＳＭｙ、ＳＭｚ）を計測する。これらの並進力とモーメントは、力センサ９の中心を原点に取った値である。移動体１のセンサ処理部に出力する計測信号をモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）とし、それらのモーメントの制御座標原点を図２に示す（ａ、ｂ、ｃ）とすると、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚは、それぞれ以下のように表すことができる。
Ｍｘ＝ＳＭｘ＋ｃ・ＳＦｙ−ｂ・ＳＦｚ
Ｍｙ＝ＳＭｙ＋ａ・ＳＦｚ−ｃ・ＳＦｘ
Ｍｚ＝ＳＭｚ＋ｂ・ＳＦｘ−ａ・ＳＦｙ
なお、図４は、各軸を説明するための図である。力センサ９として、モーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を計測できるものであればよい。各軸周りのモーメント（ＳＭｘ、ＳＭｙ、ＳＭｚ）を計測できる３軸力センサを制御座標原点に配置して、Ｍｘ，Ｍｙ、Ｍｚを直接計測してもよい。また、１軸の力センサを３つ設けてもよい。さらには、歪みゲージや、ポテンショを用いたアナログジョイスティックなどでもよい。すなわち、直接的又は間接的に３軸周りのモーメントを計測できるものであればよい。そして、力センサ９は、３つのモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を計測信号として出力する。なお、後述するように、力センサ９がヨー軸周りに回転するため、ＳＭｚの値は非常に小さくなる。これにより、Ｍｚの値も非常に小さくなっている。

移動体１の本体部分となる車台１３には、車輪６、筐体１１、制御計算部５１、及びバッテリ５２等が設けられている。筐体１１は、箱形状を有しており、下側が前後方向に突出している。車輪６はこの突出部分に配置されている。

筐体１１には、駆動モータ６０３、制御計算部５１、及びバッテリ５２が内蔵されている。バッテリ５２は、駆動モータ６０３、制御計算部５１、及び力センサ９などの各電気機器に電源を供給する。

筐体１１には、車輪６が回転可能に取り付けられている。車輪６の一部は、筐体１１の下面よりも下側に突出している。従って、車輪６が床面と接触している。２つの車輪６は、筐体１１の前部に設けられている。車輪６は、駆動輪であり、駆動モータ６０３によって回転する。すなわち、駆動モータ６０３が駆動することによって、車輪６がその車軸周りに回転する。車輪６は、前部の左右両側、及び後部の中央に設けられている。なお、駆動モータ６０３には、その回転速度を読み取るためのエンコーダが内蔵されている。

さらに、搭乗席８の下側には、支持台１４が設けられている。支持台１４は、筐体１１の上面に固定されている。支持台１４は、ヨー軸周りに回転可能な受動関節を構成する。この支持台１４によって、搭乗席８が車台１３に対してヨー軸周りに回転する。すなわち、支持台１４は、搭乗席８を車台１３に対して回転自在に支持している。搭乗席８は、ヨー軸周りに３６０°回転する。よって、搭乗者の動作に応じて、搭乗席８の向きが変わる。例えば、搭乗者が腰をねじることで、車台１３に対して搭乗席８が回転する。支持台１４が回転すると、搭乗席８の前方向が、移動体１の前方向からずれる。これにより、搭乗者が進みたい方向を向くことができる。よって、進みたい方向を向きながら移動することが可能になる。進みたい方向を確認しながら移動することができるため、高速移動が可能になる。これにより、操作性を向上することができる。

搭乗席８の前方向を＋Ｘ方向とし、左方向を＋Ｙ方向とする。支持台１４の回転によって、移動体１の車台１３の前方向が＋Ｘ方向からずれることになる。すなわち、車軸の方向と、搭乗席８の前後方向の関係は、支持台１４の角度によって変化する。

また、支持台１４は、搭乗席８及び力センサ９を回転可能に支持している。搭乗席８は、支持台１４によって回転する回転椅子となる。搭乗席８に力センサ９が設けられているため、搭乗席８とともに、力センサ９が回転する。すなわち、搭乗席８の向きが変わると、それに応じて、力センサ９が回転する。支持台１４には、回転角度を検出するためのエンコーダ等が内蔵されている。エンコーダは、例えば、移動体１の車台１３と搭乗部３の前方方向が一致している時の角度を基準角度として、この基準角度からのずれを測定する。すなわち、基準となる方向からのずれがエンコーダで測定される。移動体１の車台１３と搭乗部３の前方向が一致している時のエンコーダの測定値が０°となる。エンコーダは０〜３６０°の間の値を測定値として、出力する。エンコーダの測定値に応じて、搭乗席の向きを把握することができる。すなわち、搭乗者がどの方向を向いているかを特定することができる。

モーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚと搭乗者の向きとの関係は変化しなくなる。すなわち、搭乗者が搭乗席８を回転させる動作を行ったとしても、搭乗者の姿勢変化が同じなら、同じモーメントＭｘ，Ｍｙ、Ｍｚが得られる。よって、操作性を向上することができる。

制御計算部５１はＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、通信用のインタフェイスなどを有する演算処理装置である。また、制御計算部５１は、着脱可能なＨＤＤ、光ディスク、光磁気ディスク等を有し、各種プログラムや制御パラメータなどを記憶し、そのプログラムやデータを必要に応じてメモリ（不図示）等に供給する。もちろん、制御計算部５１は、物理的に一つの構成に限られるものではない。制御計算部５１には、力センサ９からの出力に応じて駆動モータ６０３の動作を制御するための処理を行う。

次に、移動体１を移動させるための制御系について、図５を用いて説明する。図５は、移動体１を移動させるための制御系の構成を示すブロック図である。まず、力センサ９によって、座面８ａにかかる力を検出する。ここでは、上記の通り、力センサ９は、計測信号であるモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを制御計算部５１に出力する。なお、力センサ９が搭乗席８とともに回転するようになっている。上記のように、Ｍｚは非常に小さい値になっているが、Ｍｚ＝０としても計算を行ってもよい。

制御計算部５１は、力センサ９からの計測信号に対して処理を行う。すなわち、力センサ９から出力される計測信号に対応する計測データに対して、演算処理を行う。制御計算部５１は、モーメントに基づいて、制御計算を行う。これにより、制御計算部５１が車輪６を駆動するための指令値を算出する。制御計算部５１は、入力値に基づく指令値を各駆動モータ６０３に出力する。制御計算部５１は、例えば、指令値として、駆動モータ６０３を回転させるための指令トルクを算出する。これにより、各駆動モータ６０３に対して指令トルクが入力される。よって、搭乗者の意図に応じた方向及び速度で、移動体１が移動する。すなわち、搭乗者の意図通りに移動することができる。なお、トルクの代わりに回転速度等を指令値としてもよい。

さらに、駆動モータ６０３にはそれぞれ、エンコーダ６０３ａが内蔵されている。このエンコーダ６０３ａは、駆動モータ６０３の回転速度等を検出する。そして、検出された回転速度は、制御計算部５１に入力される。制御計算部５１は、現在の回転速度と、目標となる回転速度とに基づいてフィードバック制御を行う。例えば、目標回転速度と現在回転速度との差分に、適当なフィードバックゲインを乗じて、指令値を算出する。もちろん、３つの駆動モータ６０３に出力される指令値は、異なる値であってもよい。すなわち、移動速度、及び移動方向によって、駆動モータ６０３の指令値が決まる。

支持台１４にはエンコーダ１４ａが設けられている。このエンコーダ１４ａは、上記のように、支持台１４の回転角を検出する。なお、エンコーダ１４ａ以外の回転角センサを用いて回転角を検出してもよい。すなわち、回転角を直接的、又は間接的に検出する回転角センサを用いることができる。そして、エンコーダ１４ａで検出した支持台１４の回転角が制御計算部５１に入力されている。制御計算部５１は、このエンコーダ１４ａで検出した回転角に基づいて、指令値を算出している。すなわち、力センサ９とエンコーダ１４ａとエンコーダ６０３ａの出力に応じて指令値を算出している。具体的には、支持台１４の回転角によって、搭乗席８と車台１３の方向のずれが特定される。すなわち、車台１３に対して搭乗者が向いている方向を特定することができる。

このようにすることで、簡便に指令値を算出することができる。具体的には、搭乗席８の向きを基準として、力センサ９で取得されたＭｘ、Ｍｙに基づいて、Ｘ方向と平行な前後方向の移動速度（前後移動指令値）と、Ｙ方向と平行な左右方向の移動速度（左右移動指令値）が算出される。各移動速度は、例えば、変換行列などを用いて算出される。そして、この前後方向の移動速度と左右方向の移動速度と、エンコーダ１４ａの測定角度に基づいて、各車輪６を回転させるための指令値を算出する。ここでは、各駆動モータ６０３の車軸の方向に応じて、目標回転速度が算出される。そして、目標回転速度と現在回転速度とに基づいて、各駆動モータ６０３の指令値（モータ指令値）が算出される。

支持台１４にエンコーダ１４ａを設けることで、搭乗席８と車台１３の方向にずれが生じた場合でも、簡便に指令値を算出することができる。よって、処理を簡素化することができ、移動体１の応答が速くなる。これにより、操作性を向上することができる。また、搭乗者が向いている方向に移動することができるため、前方を確認しながらの移動が可能となる。よって操作性を向上することができる。

また、力センサ９が支持台１４よりも座面８ａ側に設けられているため、力センサ９が搭乗席８とともに回転する。すなわち、座面８ａがヨー軸周りに回転すると、その回転とともに力センサ９もヨー軸周りに回転する。搭乗席８（搭乗者）とＸＹＺ軸の関係が常に一定となる。これにより、搭乗者が向いている方向を常に＋Ｘ方向、左側を＋Ｙ方向とすることができる。よって、複雑な座標変換などが不要となるため、簡便に処理することができる。

また、搭乗席８には、搭乗者が座る向きが確定されている形状の椅子を用いることが好ましい。すなわち、搭乗者が搭乗席８に座ったときに、搭乗者の前方が一定になるようにする。例えば、背もたれが設けられていることで、搭乗者が座る向きが確定される。すなわち、搭乗者は背もたれを背にして座るようになる。よって、常に一定の向きえ搭乗者が座るようになる。もちろん、背もたれ以外の構成で、座る向きを確定してもよい。例えば、アームレストやフットレストを設けることで、座る向きを確定してもよい。さらには、座面８ａを非対称な形状とすることによって、座る方向を確定してもよい。搭乗席８に座る方向を識別するための目印などを設けることで座る方向を確定してもよい。また、座面８ａに複数の接触センサを設けて、その接触センサの出力によって座っている向きを特定してもよい。なお、搭乗者の座る方向と特定するような機能を設けてもよい。

上記の説明では、３輪型の移動体について説明したが、車輪の数は特に限られるものではない。上記の構成は、椅子型移動ロボットに対して適用可能である。

本発明の実施形態にかかる移動体を模式的に示す正面図である。 本発明の実施形態にかかる移動体を模式的に示す側面図である。 車輪の配置を説明するための上面図である。 各軸周りの動作を説明するための図である。 移動体を移動させるための制御系を示すブロック図である。

符号の説明

１ 移動体
３ 搭乗部
６ 車輪
８ 搭乗席
８ａ 座面
８ｂ 背もたれ
９ 力センサ
１１ 筐体
１３ 車台
１４ 支持台
５１ 制御計算部
５２ バッテリ
６０３ 駆動モータ
６０３ａ エンコーダ

Claims (2)

1. ユーザの体重移動に応じて移動する移動体であって、
   本体部と、
   前記本体部に対して回転可能に取り付けられ、前記本体部の向きを変えることなく前記移動体を任意の方向に移動させることが可能な全方位車輪と、
   前記全方位車輪を駆動する駆動部と、
   前記ユーザが搭乗するために設けられた搭乗席と、
   前記本体部に対して前記搭乗席をヨー軸周りに回転可能に支持し、前記ユーザの動作に応じて回転する受動関節を構成する支持台と、
   前記搭乗席とともに前記支持台によって回転可能に支持され、前記搭乗席の搭乗面に加わる力に応じた計測信号を出力するセンサと、
   前記支持台の前記ヨー軸周りの回転角を検出するために設けられた回転角センサと、
   前記センサ及び前記回転角センサからの出力に応じて、前記全方位車輪を回転させるための指令値を前記駆動部に出力する制御部と、を備える移動体。
2. 前記搭乗席において、前記ユーザが搭乗する向きが確定されていることを特徴とする請求項１に記載の移動体。

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