JP5352673B2 - 倒立振子型移動体 - Google Patents
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Description
そこで、主輪の接地点以外の点に接地する杖状の接地部材等を用いることにより、接地点周りの回転モーメントを発生させ、旋回運動を好適に行い得るような倒立振子型移動体も提案されている(特許文献2)。これにより好適な旋回が可能となるが、接地部材を追加し、その作動を制御する必要が生じ、移動体の構造が複雑化する問題がある。また、狭隘な環境では、接地部材が構築物或いは人に接触する心配が生じる。
図1〜図5に示されているように、倒立振子型移動体(以下、単に移動体と略称する)1は、概ね上下方向に延在する骨格構造としてのフレーム2と、フレーム2の下部に設けられた走行ユニット3と、フレーム2の上部に設けられた着座ユニット4と、フレーム2の内部に設けられた電装ユニット11と、フレーム2の上部に設けられ、各ユニットおよびセンサに電力を供給するバッテリユニット10とを主要構成要素として有している。電装ユニット11は、倒立振子制御ユニット(倒立振子制御部。以下、単に制御ユニットと略称する)5と、上部荷重センサ6と、傾斜センサ(傾斜角検出手段)7とを備えている。制御ユニット5は、倒立振子制御に基づいて各種センサからの入力信号に応じて走行ユニット3を駆動制御し、移動体1を倒立姿勢に維持する。また、移動体1は、電装ユニット11とは別体に、ステップ荷重センサ8やロータリエンコーダ9L,9Rを適所に備えている。
図1に示されているように、フレーム2は、中空の外殻構造をなし、前後方向の幅が左右方向の幅に比べて大きい扁平形状を呈している。また、フレーム2は、上下方向における中央に全周にわたってくびれ部2Aを有する。くびれ部2Aでは、前後方向が左右方向よりも大きく凹んでいる。フレーム2は、左右方向から見て略8の字状を呈する。フレーム2は、そのくびれ部2Aにおいて上下に分割されており、図4に示されているように、別体の上部フレーム21と下部フレーム22とから構成されている。上部フレーム21および下部フレーム22は、それぞれカーボンプリプレグシートを熱硬化させることによって形成されたドライカーボン(炭素繊維強化樹脂:CFRP)で構成されている。上部フレーム21と下部フレーム22とは、後述する上部荷重センサ6(図5)を介して連結されている。
図7に示されているように、着座ユニット4は、ベース本体61と、左右一対のサドルアーム62L,62Rと、左右一対のサドル63L,63Rとを備えている。ベース本体61は、上部フレーム21の上部開口部27を通して上部内部空間26Cに配置され、その上壁が上部開口部27を閉塞している。ベース本体61は、その下部に前後方向に延設された支持軸65を備えている。
図8および図9に示されているように、走行ユニット3は、支持部材としての左右一対のマウント部材81L,81Rと、左右一対のマウント部材81L,81Rにそれぞれ取り付けられた左右一対の電動モータ82L,82Rと、電動モータ82L,82Rの出力を減速して伝達する減速装置としての波動歯車装置83L,83Rと、波動歯車装置83L,83Rを介して電動モータ82L,82Rにそれぞれ回転させられる駆動体84L,84Rと、左右の駆動体84L,84Rによって回転させられる主輪85とを備えている。マウント部材81L,81R、電動モータ82L,82R、波動歯車装置83L,83Rは、左右対称形であるため、左方の構成について説明し、右方の構成については説明を省略する。なお、駆動体84L,84Rは、一部の構成が左右で異なるため、同一の構成については右側の説明を省略し、異なる構成についてのみ右側も説明する。
図10に示されているように、電装ユニット11を構成する制御ユニット5と、上部荷重センサ6と、傾斜センサ7とは、骨格となる電装マウントフレーム202に取り付けられて一体となっている。以下の電装ユニット11の説明では、電装ユニット11が下部フレーム22に取り付けられた状態を基準にして、前後、左右、上下の方向を設定する。
図5および図6に示されているように、バッテリユニット10は前後に2つあり、各バッテリユニット10は、複数個のバッテリ281と、1つのバッテリマネジメント基板282とを備えている。各バッテリユニットにおける複数個のバッテリ281は、それぞれ円柱状を呈し、それぞれが円柱状の側面において互いに連結されて1組にまとめられている。各バッテリマネジメント基板282は、マイクロコンピュータを構成するCPUと、メモリ284とを備えたバッテリマネジメント回路285が形成されており、各バッテリ281に連結されている。バッテリマネジメント回路285は、各バッテリ281の充放電や使用するバッテリ281の選択を行う。
上部フレーム21、着座ユニット4、バッテリユニット10等から構成される上部構造体13と、下部フレーム22、走行ユニット3、電装ユニット11等から構成させる下部構造体14との連結構造を図11および図12を参照して説明する。図11の斜視図では、説明のため、一部の構成を取り除いて図示している。図11および図12に示されるように上部フレーム21の下部開口部25と下部フレーム22の上部開口部31とを対向させるようにして配置し、上部構造体13の第1ガイド孔298に下部構造体14の第1ガイドピン215を挿入するとともに、上部構造体13の第2ガイド孔302に下部構造体14の第2ガイドピン217を挿入し、上部構造体13と下部構造体14とを組み合わせる。この状態で、第1コネクタ214は第3コネクタ297に連結され、第2コネクタ216は第4コネクタ301に連結される。これにより、上部構造体13と下部構造体14とが電気的に接続され、両者の間で電力供給や制御信号の送受が可能となる。
図13に示されているように、制御回路261には、入力インターフェース回路265を介して、上部荷重センサ6、傾斜センサ7、ステップ荷重センサ8、ロータリエンコーダ9L,9R、バッテリマネジメント回路285のメモリ284からの信号が入力される。制御回路261は、倒立振子制御を行うものであって、入力される各種信号に基づいて、移動体1を倒立状態に維持すべく、左ドライバ回路263および右ドライバ回路264を駆動させるためのPWM信号を生成する。
このようにして、移動体1は、直立状態を維持しつつ、前後進及び左右方向に平行移動することができる。ヨーレートが発生するように旋回運動が必要な場合には、搭乗者が片足を地面につけた状態で移動体1を前進させれば、片足を中心として移動体1を旋回させることができる。或いは、体を捻ると同時に、手を外向きに突き出す或いは引っ込める等の、自らの慣性モーメントを変化させるような運動を行なうと、接地点周りの回転モーメントを発生させることができ、旋回運動が可能である。しかしながら、何れの場合も、多少困難な操作が必要であり、搭乗者が熟練していることを要する。そこで、自転車のように、搭乗者が左右に傾いたり、重心を移動させることのみで、移動体1を旋回可能とすることが望まれる。
Claims (4)
- 倒立振子型移動体であって、
駆動装置を備えた基体と、
前記基体下部に設けられ、前記駆動装置により周方向に駆動される少なくとも1つの主輪と、
搭乗体を支持するために前記基体に設けられた搭乗部と、
当該移動体の状態に応じて前記主輪に加えられる周方向駆動力を制御し、当該移動体を直立状態に保持し、走行させるための前後方向制御装置とを有し、
前記前後方向制御装置は、前記搭乗部に搭乗者が搭乗した状態においては、当該移動体の最小慣性主軸を鉛直方向に対して後方に傾斜させることにより、前記最小慣性主軸と地面との交点が前記主輪の接地点より前方に位置する姿勢を維持する倒立振子制御を行うことを特徴とする倒立振子型移動体。 - 前記主輪に、その周方向軸線周りに回転するように設けられ、かつ前記駆動装置によりその回転方向に駆動されるドリブンローラと、当該移動体の状態に応じて前記ドリブンローラに加えられる回転方向駆動力を制御し、当該移動体を直立状態に保持するための左右方向制御装置とを更に有す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。
- 前記駆動装置に電力を供給するためのバッテリを更に有し、前記バッテリの重心が、当該移動体全体の重心よりも上方かつ後方に位置するように、前記バッテリが配置されていることを特徴とする請求項1若しくは2に記載の倒立振子型移動体。
- 前記駆動装置がモータを有し、前記モータの重心が、当該移動体全体の重心よりも下方かつ前方に位置するように、前記モータが配置されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1に記載の倒立振子型移動体。
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