JP5390320B2 - 倒立振子型移動体 - Google Patents

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Description

本発明は、車輪等によって移動する倒立振子型の移動体に関する。
従来、傾斜センサ(ジャイロセンサ等)の検出結果に基づく倒立振子制御によって倒立姿勢を維持しながら移動する倒立振子型移動体が知られている。この種の倒立振子型移動体では、その移動性(小回りが利く等)を向上させるためにフットプリント(すなわち、移動する路面上で倒立振子型移動体が占める面積)を小さくする等コンパクトな装置が指向されている。
例えば、球状走行体と、その球状走行体を任意の方向に転動させる全方向移動駆動手段を備えたロボット本体と、そのロボット本体を倒立振子型モデルで制御する制御手段とを備えた倒立振子型移動体が存在する(例えば、特許文献1参照)。
特開2006−282160号公報
ところで、上記従来の倒立振子型移動体では、ロボット本体は、バッテリ、制御コンピュータ、モータドライバおよびジャイロセンサ等からなる制御手段が収容されたケーシングと、当該ケーシングの下側に装着され、全方向移動駆動手段を囲繞する保護カバーとを有する。しかしながら、そのような構成を球状走行体ではなく比較的狭幅の車輪等を備えた倒立振子型移動体に適用する場合には、保護カバーよりもケーシングの水平方向のサイズが大きくなり、コンパクト化が難しいという課題があった。
本発明は、このような従来技術の課題を鑑みて案出されたものであり、フットプリントが小さくコンパクトな倒立振子型移動体を提供することを目的とする。
上記課題を解決するためになされた第1の発明は、下部フレームと、当該下部フレームの上側に分離可能に接続された上部フレームとからなる外殻構造を有する倒立振子型移動体であって、前記下部フレームに保持された移動用の走行ユニットと、前記上部フレームに保持され、前記走行ユニットに電力を供給するバッテリユニットとを備えた構成とする。
また、第2の発明として、前記下部フレームと前記上部フレームとのいずれかに保持されると共に、鉛直方向における前記走行ユニットと前記バッテリユニットとの間に配置された倒立振子制御用の電装ユニットを更に備えた構成とすることができる。
また、第3の発明として、前記走行ユニットは、環状の主輪と、当該主輪を回転駆動する電動モータと、当該電動モータの動力を前記主輪に伝達する駆動体とを有する構成とすることができる。
また、第4の発明として、前記上部フレームに保持され、操作者の臀部を支持する着座部を更に備え、前記上部フレームが、前記バッテリユニットを収容する環状のバッテリ収容部を有し、前記着座部は、当該バッテリ収容部の中央の開口部に収容可能である構成とすることができる。
上記第1の発明によれば、走行ユニットとバッテリユニットとを下部フレームと上部フレームとにそれぞれ配置する構成としたため、フットプリントが小さくコンパクトな倒立振子型移動体を実現することができるという優れた効果を奏する。
また、上記第2の発明によれば、電装ユニットを走行ユニットとバッテリユニットとの間に配置する構成としたため、よりコンパクトな倒立振子型移動体を実現することができる。
また、上記第3の発明によれば、下部フレームにおいて、倒立振子移動体の移動に供される走行ユニットをコンパクトに収容することが可能となる。
また、上記第4の発明によれば、上部フレームにおいて、着座部とバッテリとをコンパクトに収容することが可能となる。
倒立振子型移動体の搭乗可能状態(サドルおよびステップを展開した状態)を示す斜視図である。 倒立振子型移動体の収納状態(サドルおよびステップを格納した状態)を示す斜視図である。 倒立振子型移動体の分解斜視図である。 図1のIV−IV断面図である。 図1のV−V断面図 倒立振子型移動体の上部構造を示す斜視図である。 図1のVII−VII断面図である。 倒立振子型移動体のくびれ部を一部破断して示す斜視図である。 電装ユニットを示す斜視図である。 倒立振子型移動体の制御系の要部を示すブロック図である。 倒立振子型移動体における搭乗者の乗車の態様((a)着座搭乗姿勢、(b)起立搭乗姿勢)を示す図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る倒立振子型移動体の詳細について説明する。説明にあたり、倒立振子型移動体およびその構成要素の方向は、鉛直方向を上下方向とし、鉛直方向に直交する水平面において互いに直交する前後方向および左右方向を図示のように定める。
<倒立振子型移動体の全体構成>
図1および図3〜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、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とを主要構造として有している。電装ユニット11は、倒立振子制御ユニット(以下、単に制御ユニットと略称する)5と、荷重センサ6と、傾斜センサ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、ひずみセンサ8L,8Rやロータリエンコーダ9L,9Rを適所に備えている。
<フレームの構成>
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くびれ部2Aを有し、くびれ部2Aは前後方向における幅が左右方向よりも大きく凹んでいる。このくびれ部2Aには、電装ユニット11が収容されている。これにより、フレーム2は、左右方向から見て外縁が略8の字状を呈する。図3に示されているように、フレーム2は、そのくびれ部2Aにおいて上下に分割可能であり、互い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(炭素繊維強化プラスチック:CFRP)である。後述するように、上部フレーム21と下部フレーム22とは、荷重センサ6を介して連結されている。
図4に示されているように、上部フレーム21には、その中央部に左右方向に貫通するサドル格納部24を形成するように環状部分が形成されている。この環状部分は、中空であり、バッテリユニット10等が収容される内部空間26を有している。上部フレーム21の下端部には、下方に向けて開口する下部開口部25(図3参照)が形成されており、また、上部フレーム21の上端部には、上方に向けて開口する上部開口部27が形成されている。サドル格納部24の上壁部分には、内部空間26とサドル格納部24とを連通するサドル取付孔28が形成されている。下部開口部25の上方に位置するサドル格納部24の下壁部分には、サドル格納部24から下方に向けて凹設された接続凹部29が形成されている。この接続凹部29の底部の中央部には、貫通孔である連結孔30が形成されている。
移動体1では、上部フレーム21の内部空間26における前部内部空間26Aおよび後部内部空間26Bが、バッテリユニット10を収容する環状のバッテリ収容部を形成する。しかも、上部フレーム21を貫通するサドル格納部24には着座ユニット4が収容されるため、上部フレーム21に着座ユニット4とバッテリユニット10とをコンパクトに収容することが可能となる。
図6に示されているように、上部フレーム21の下部内部空間26Dの内壁には、接続凹部29を挟んで左右方向に位置するように、一対の金属製の支持ベース51L,51Rが接着されている。各支持ベース51L,51Rは、下向きの水平面を有して前後方向に延在し、その水平面に開口する雌ねじ孔を有している。
図3に示されているように、下部フレーム22は、上部開口部31および下部開口部32を有して筒状に形成されている。下部フレーム22の左右側壁33は概ね上下方向に延在し、かつ互いに平行となっている。下部フレーム22の前後側壁34は、上側から下側に進むにつれて前後方向に膨出し、左右方向から見て下部フレーム22の下部は半円状となっている。この下部フレーム22の半円状をなす下部は、走行ユニット3の上半部を収容する収容空間35を画成している。
左右側壁33のそれぞれには、下部開口部32に連続する半円状の切欠部36が形成されている。左右の切欠部36は、左右方向に平行な軸線をもって、互いに同軸に配置されている。切欠部36と下部開口部32の境界部分には、切欠部36の周縁を延長するように下方へと延出する突片37が形成されている。前後側壁34のそれぞれの上部であってくびれ部2Aを形成する部分には、通気孔39がそれぞれ形成されている。通気孔39は、左右方向に延在する長孔状の貫通孔であって、上下方向に複数個が平行に列設されている。なお、くびれ部2Aの構成によっては、通気孔39を上部フレーム21側に設けてもよい。
図8に示されているように、下部フレーム22の左右側壁33における上部開口部31付近の内壁には、一対の金属製の支持ベース53L,53Rがそれぞれ接着されている。各支持ベース53L,53Rは前後方向に延在し、その上面は水平面となっている。各支持ベース53の前後端には、上下方向に貫通する雌ねじ孔54aが設けられた連結部54が形成されている。
このように、移動体1では、走行ユニット3とバッテリユニット10とを下部フレーム22と上部フレーム21とにそれぞれ配置する構成としたため、フットプリントが小さくコンパクトな装置を実現することができる。加えて、電装ユニット11を走行ユニット3とバッテリユニット10との間(すなわち、くびれ部2A)に配置する構成としたため、よりコンパクトな移動体1を実現することができる。
<着座ユニットの構成>
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、その上部に接続された上壁により上部開口部27を閉塞している。また、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。
支持軸65には、左右一対のサドルアーム62L,62Rの基端部66L,66Rが枢支されている。各サドルアーム62L,62Rは、基端部66L,66Rから上部フレーム21のサドル取付孔28を通過して、上部フレーム21の外部に位置する先端部67L,67Rへと延出している。右サドルアーム62Rは、その先端部67Rが基端部66Rの下方のサドル格納部24内に位置する格納位置と、先端部67Rが基端部66Rに対して概ね右方に位置する使用位置(展開位置)との間で回動可能になっている。右サドルアーム62Rは、使用位置において、下に凸となるように湾曲した形状に形成されている。同様に、右サドルアーム62Rと略左右対称の構成を有する左サドルアーム62Lは、格納位置とら使用位置との間で回動可能になっており、使用位置において下に凸となるように湾曲した形状に形成されている。
両サドルアーム62L,62Rは、図示しないリンク機構を介して互いに連結されており、一方が格納位置にある場合には他方も格納位置に位置し、一方が使用位置にある場合には他方も格納位置に位置するように連動して変位するようになっている。また、ベース本体は図示しないロック機構を備えている。ロック機構は、各サドルアーム62L,62Rが格納位置または使用位置に位置する場合に、各サドルアーム62L,62Rに係合して各サドルアーム62L,62Rを格納位置または使用位置に保持する。
各サドル63L,63Rは、サドルアーム62L,62Rの先端部67L,67Rに連結された支持部69L,69Rと、支持部69L,69Rに取り付けられた円盤状のクッション部70L,70Rとを備えている。クッション部70L,70Rは、搭乗者(すなわち、移動体1に搭乗した操作者)の左右の臀部や大腿部が載せられる着座面を有する。サドルアーム62L,62Rが使用位置(図7中の2点鎖線参照)に位置する場合において、クッション部70L,70Rは、支持部69L,69Rの上方に配置され、着座面が上方を向く。着座した搭乗者D(図11(a)参照)の荷重は、サドル63L,63R、サドルアーム62L,62R、ベース本体61を介して上部フレーム21に加わる。
サドルアーム62L,62Rが格納位置(図2参照)に位置する場合には、サドル63L,63Rの支持部69L,69Rはサドル格納部24内に位置し、クッション部70L,70Rはその着座面が左方外方または右方外方を向き、サドル格納部24を閉塞する。
なお、移動体1における着座ユニット4は、本実施形態のように搭乗者が搭乗するために使用するものに限定されず、任意の積載物(例えば、操作者が運ぶ荷物等)を支持可能とした構成も可能である。その場合、サドル63L,63Rの形状も支持対象に応じて種々の変更が可能である。
<ハンドルの構成>
ベース本体61の上部に接続された上壁には、操作者による移動体の支持に供される格納式のハンドル71が設けられている。ハンドル71は、不使用時は、図2中の実線で示すように、ベース本体61の上壁に凹設されたハンドル格納部72に格納される。一方、ハンドル71は、使用時には、図2中の2点鎖線で示すように、前後の脚部71A,71Aが上方にスライドすることによりベース本体61の上方に突出する。操作者は、ハンドル71を把持して、移動体1を持ち上げて運んだり、運転停止中の移動体1を支えてその傾倒を防止したりすることができる。
<走行ユニットの構成>
図3〜図5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、これらマウント部材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、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。DCモータからなる電動モータ82L,82Rおよび波動歯車装置83L,83Rは周知の構成を有する。電動モータ82L,82Rの出力は、それぞれ波動歯車装置83L,83Rを介して減速された後、駆動体84L,84R(ドライブディスク121L,121R)に伝達されるようになっている。
駆動体84L,84Rは、ドライブディスク121Rと、ドライブディスク121Lに回転可能に支持された複数のドライブローラ122L,122Rとを備えている。左右ドライブローラ122L,122Rは、左右ドライブディスク121L、121Rが連結された状態(すなわち、左右の駆動体84L,84Rが組みつけられた状態)において、所定の距離だけ離間した位置に配置される。左右ドライブローラ122L,122Rの間には主輪85が配置される。
主輪85は、角柱体により構成された無端円環状の環状体161と、環状体161の外周部に嵌着された複数個のインナスリーブ162と、各インナスリーブ162の外周部にボール軸受163を介して回転可能に支持された複数の筒状のドリブンローラ164とにより構成されている。ドリブンローラ164は、ボール軸受163の外周部に嵌着される金属製円筒部164Aと、金属製円筒部164Aの外周面に加硫接着されたゴム製円筒部164Bとにより構成されている。ゴム製円筒部164Bの材質は、ゴムに限られず、可撓性を有する他の樹脂材料等であってもよい。ドリブンローラ164のゴム製円筒部164Bは、移動体1の使用状態(走行状態)において、路面に接地する。
ドリブンローラ164は、インナスリーブ162と共に環状体161の環方向(周方向)に複数個設けられ、主輪85の実質的な外周面をなす。また、各ドリブンローラ164は、自身の配置位置における環状体161の接線周りに回転(自転)可能になっている。
主輪85は、左右の駆動体84L,84Rの間に介装されることによって、駆動体84L,84Rと共に組み付けられる。また、電動モータ82L,82Rは、マウント部材81L,81Rの円筒部の内部に配置されている。このような構成により、下部フレーム22において、移動体1の移動に供される走行ユニット3をコンパクトに収容することが可能となる。
主輪85が左右の駆動体84L,84Rに組みつけられた状態において、ドリブンローラ164のゴム製円筒部164Bの外周面と、左右のドライブローラ122L,122Rの外周面とが接触し、摩擦によってドライブディスク121L,121Rの回転力(推進力)がドライブローラ122L,122Rを介してドリブンローラ164に伝達される。なお、ドライブローラ122L,122Rと主輪85との配置関係や主輪85の駆動の態様について、より詳細な説明が必要ならば、国際公開2008/139740号を参照されたい。
<ステップの構成>
図3に示されているように、下部フレーム22の左右側壁33の外側には、左右ステップベース180L、180Rが設けられる。各ステップベース180L,180Rは、金属材料から形成されて環形状をなし、切欠部36の周縁部および2つの突片37に沿う形状に形成されている。各ステップベース180L,180Rには、それぞれステップ183L,183Rが回動可能に支持されている。各ステップ183L,183Rは、基端部において概ね前後方向に延在する回動軸をもって各突出部181L,181R付近に支持されており、その先端部が基端部の概ね上方に位置し、下部フレーム22に概ね沿った状態となる格納位置(図2参照)と、その先端部が基端部の概ね左右方向に位置し、下部フレーム22から突出した状態となる使用位置(図1参照)との間で回動可能となっている。
ステップベース180L,180Rと走行ユニット3の左右マウント部材81L,81Rとは、切欠部36の周縁部および2つの突片37を介装した状態でボルト締結される。これにより、ステップベース180L,180Rおよび走行ユニット3が下部フレーム22に固定される。
各ステップベース180L,180Rの内表面には、ひずみセンサ8L,8Rが貼付されている。ひずみセンサ8L,8Rは、公知のひずみゲージであって、ステップ183L,183Rに荷重が加わった際のステップベース180L,180Rのひずみを検出する。
下部フレーム22の下端部には、走行ユニット3の下半部を路面との接地部位を除いて隠蔽するための下部カバー185が取り付けられる。また、下部フレーム22の左右側壁33の外側面には、各突出部181L,181Rおよび各ステップ183L,183Rを除いて各ステップベース180L,180Rを隠蔽するためのサイドカバー186L,186Rが取り付けられている。
<電装ユニットの構成>
図8および図9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、荷重センサ6と、傾斜センサ7とのそれぞれは、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。
電装マウントフレーム202は、中央部に空間を備えた略矩形状のフレーム部材であり、その周縁部が左右の支持ベース53L,53R上に載置可能なように大きさが設定されている。また、電装マウントフレーム202は、下部フレーム22の左右の支持ベース53L,53R上に載置された状態において、左右の支持ベース53L、53Rの雌ねじ孔54aが設けられた連結部54に対応する位置に上下方向に貫通する貫通孔203aが設けられた連結部203を備えている。
荷重センサ6は、z軸方向(鉛直方向)の力およびx軸,y軸回りのモーメントを検出可能な3軸力センサから構成されている。荷重センサ6は、センサ基盤を内蔵するボディ部205と、このボディ部205から上方に突出する入力軸206とを有している。入力軸206は、円柱状に形成され、検出する外力が入力される。入力軸206の外周には基端から先端にわたって雄ねじ溝が形成されている。ボディ部205は、電装マウントフレーム202上に載置され、ねじ締結されている。
入力軸206の基端部の外周部には、板状の連結部材ベース210が取り付けられている。連結部材ベース210は、中央に雌ねじ孔を有し、この雌ねじ孔が入力軸206の基端部206B(図4参照)の雄ねじ溝と螺合することによって入力軸206に固定されている。なお、入力軸206の先端は、連結部材ベース210の上方に突出している。
連結部材ベース210が入力軸206に取り付けられた状態で、連結部材ベース210の前部には、前方側に延出する第1コネクタベース211がねじ締結されている。連結部材ベース210の後部には第2コネクタベース212がねじ締結されている。
傾斜センサ7は、公知のジャイロスコープである。傾斜センサ7は、そのハウジングとして機能する電装マウントフレーム202の内部に配置され、電装マウントフレーム202にねじ締結されている。傾斜センサ7は、鉛直方向(上下方向)を基準にして、鉛直方向からの傾斜角度を検出する。
図9に示されているように、制御ユニット5は、制御基板241、と電源基板242と、左モータドライバ基板243と、右モータドライバ基板244と、I/Oインターフェース基板245と、送風ファン247とを備えている。
制御基板241は、マイクロコンピュータを構成するCPUを有し、電動モータ82L,82R等の制御に供される制御回路261(図10参照)を備えた基板である。制御基板241は、上下に配列された傾斜センサ7と電源基板242の一側(ここでは、後方)において、上下方向に(すなわち、基板表面が前後方向と直交するように)延在して、当該傾斜センサ7と電源基板242の側部に架け渡されるように配置されている。制御基板241の下部は、スペーサ402および連結部材252を介して電源基板242の後端に接続されている。同様に、制御基板241の上部は、図示しないスペーサおよび連結部材を介して電装マウントフレーム202(すなわち、傾斜センサ7のハウジング)の後端に固定されている。このような構成により、制御基板241と傾斜センサ7との間の信号ライン405、ならびに制御基板241と電源基板242との間の電力ライン406および信号ライン407の長さがそれぞれ短縮され、配線量を低減することができる。
電源基板242は、バッテリユニット10から供給された電源電圧を所定の電圧に変換する電圧制御回路を備えた基板である。電源基板242は、電装マウントフレーム202の前端部から下方へと延出する連結部材251によって電装マウントフレーム202の下方に、前後方向かつ左右方向に延在するように取り付けられている。各電源基板242と、左右のモータドライバ基板243,244とは、複数のスペーサ部材401によってそれぞれの基板表面が互いに平行に配置されている。このような構成により、電源基板242と左モータドライバ基板243との間の電力供給に用いられる電力ライン408、ならびに電源基板242と右モータドライバ基板244との間の電力供給に用いられる電力ライン409の長さがそれぞれ短縮され、配線量を低減することができる。
電装ユニット11の上部における一側および他側(ここでは、後方および前方)には、上部フレーム21側と電気的に接続するための第2コネクタ216および第1コネクタ214がそれぞれ設けられている。第1コネクタ214は、上部フレーム21側の第3コネクタ297(図4参照)と連結され、前側のバッテリ281からの電力供給やバッテリマネジメント基板282との制御信号の送受信等に用いられる。また、第2コネクタ216は、上部フレーム21側の第4コネクタ301(図4参照)と連結され、後側のバッテリ281からの電力供給やバッテリマネジメント基板282との制御信号の送受信等に用いられる。
第1コネクタ214と電源基板242との間の電力供給や制御信号の送受信に用いられる電力・信号ライン(接続ライン)411は、傾斜センサ7と電源基板242との前方(すなわち、制御基板241とは逆側)に配設されている。これにより、バッテリ281から電源基板242への配線が最適化されて、コンパクトな電装ユニット11を実現することができる。
左モータドライバ基板243および右モータドライバ基板244は、それぞれ電動モータ82L,82RのPWM制御に供される左または右ドライバ回路(インバータ回路)253,254(図10参照)を備えた基板である。左モータドライバ基板243は、スペーサを介して電源基板242の下方に、電源基板242と平行に取り付けられている。右モータドライバ基板244は、スペーサを介して左モータドライバ基板243の下方に、左モータドライバ基板243と平行に取り付けられている。この構成により、電源基板242と左モータドライバ基板243との間と、左モータドライバ基板243と右モータドライバ基板244との間には、前後方向に延在する通気路246が形成される。
I/Oインターフェース基板245は、入力インターフェース回路265および出力インターフェース回路266(ともに図10参照)を備えた基板である。I/Oインターフェース基板245は、電源基板242の後方の制御基板241の更に後方において、上下方向に延在するように配置されている。両基板241,245は、複数のスペーサ部材403によってそれぞれの基板表面が互いに平行に配置されている。
上記電装ユニット11では、荷重センサ6、傾斜センサ7、電源基板242、及び左右の左モータドライバ基板243,244を上から順に一体的に配置したため、コンパクトな構成を実現しつつ、フレーム2の自由度を高めることが可能となる。また、下部フレーム22と上部フレーム21の分離により電装ユニット11が容易に露出するため、簡易な構成により電装ユニット11のメンテナンス等が可能となるという利点もある。
送風ファン247は、軸流ファンである。送風ファン247は、連結部材251の下端に締結され、左モータドライバ基板243および右モータドライバ基板244の前方に配置されている。このとき、送風ファン247の吸い込み口が前方を向き、吐き出し口が後方を向くように配置されている。
次に、電装ユニット11の下部フレーム22への固定構造について説明する。図8に示すように、電装マウントフレーム202の各連結部203の上下には、可撓性を有する一対のゴムブッシュ270A,270Bが装着されている。各ゴムブッシュ270にはボルトB1が挿通され、電装マウントフレーム202と各支持ベース53L、53Rとが締結されている。このように、ゴムブッシュ270A,270Bを介して電装マウントフレーム202を支持ベース53L、53Rに支持させた構成によって、下部フレーム22からの振動は、ゴムブッシュ270で緩衝(遮断)され、電装ユニット11に伝達され難くなっている。
下部フレーム22に取り付けられた電装ユニット11は、上部フレーム21と下部フレーム22との接続部を形成するくびれ部2A内に位置し、送風ファン247、左モータドライバ基板243、右モータドライバ基板244が、下部フレーム22の前後側壁34に形成された通気孔39間に配置される。
このような構成により、送風ファン247によって前方の通気孔39から導入された外部からの冷却空気が、左モータドライバ基板243と右モータドライバ基板244との間に形成された通気路246を通過し、昇温された空気が後方の通気孔39から排出される。したがって、送風ファン247および通気路246を用いて、電装ユニット11の中でも特に発熱量が大きい左および右モータドライバ基板243,244を効率良く冷却することができるため、電装ユニット11のコンパクト化を実現しつつ、その発熱を効果的に防止することが可能となる。また、電装ユニット11が下部フレーム22のくびれ部2A内に配置されていることから、通気孔39間の流路長が短くなり、より効率的な冷却が可能となっているという利点もある。
<バッテリユニットの構成>
図4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、2つのバッテリ281,281と、これらバッテリ281,281にそれぞれ取り付けられた2つのバッテリマネジメント基板282,282とを備えている。各バッテリマネジメント基板282は、図示しないマイクロコンピュータを構成するCPUやメモリ等を有するバッテリマネジメント回路285(図10参照)を備えており、各バッテリ281,281の充放電や使用するバッテリ281,281の選択を行う。なお、バッテリマネジメント基板282,282は、必ずしもバッテリ281,281と共にバッテリユニット10を構成する必要はなく、例えば、電装ユニット11に設けてもよい。しかしながら、バッテリマネジメント基板282,282をバッテリ281,281と共に上部フレーム21に配置することにより、下部フレーム22から上部フレーム21を分離してバッテリ281,281の充電を容易に行うことができる。
バッテリ281,281は、上部フレーム21における環状部分の内部空間26の形状に対応するように、所定の曲率をもって湾曲状に形成されている。これにより、バッテリ281,281は、上部フレーム21の下部開口部25を通して、上部フレーム21の前部内部空間26Aと、後部内部空間26Bとに分離して挿入され、上部フレーム21の各支持ベース51L,51Rにねじ締結されたバッテリブラケット291によって下方から支持されている。
このように、バッテリ281,281を上部フレーム21の環状部分の内部空間26の前後に配置することにより、移動体1の前後の重量バランスが均一化される。したがって、移動体1の重心位置の前後方向の偏りが防止され、安定した倒立振子制御が可能となるとともに、ハンドル71を使用した持ち運びも容易となるという利点がある。
<上部構造体と下部構造体の連結構造>
次に、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との連結構造について説明する。
上部フレーム21と下部フレーム22との連結に際しては、互いの下部開口部25と上部開口部31とを対向させるようにして配置し、上部構造体13に設けられた図示しないガイド孔に下部構造体14の第1ガイドピン215及び第2ガイドピン217(ともに図9参照)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、図4に示すように、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、上部フレーム21と下部フレーム22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信が可能となる。また、上部フレーム21の接続凹部29の下面は、荷重センサ6の入力軸206に連結された連結部材ベース210の上面に当接し、入力軸206の先端部は接続凹部29の連結孔30を下方から上方に向けて貫通する。この状態で、入力軸206の先端部にナット314を螺合させ、連結部材ベース210とナット314との間に接続凹部29の底部を挟持させる。このようにして、上部フレーム21と荷重センサ6の入力軸206とが連結される。さらに、下部フレーム22の上部開口部31を画成する周縁部は、上部フレーム21の下部開口部25を画成する周縁部よりもやや小径に形成されており、周縁部の内側に遊嵌された状態にある。
以上の連結構造によって、上部構造体13は荷重センサ6を介して下部構造体14に支持される。そのため、搭乗者が着座ユニット4に着座した場合には、搭乗者Dの重量は上部構造体13を介して荷重センサ6の入力軸206に入力される。
<倒立振子制御系の構成>
図9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、荷重センサ6、傾斜センサ7、ひずみセンサ8L,8Rからの信号が入力される。この制御回路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の倒立姿勢を維持すべく、左右ドライバ回路253,254を駆動させるためのPWM信号を生成する。
荷重センサ6は、入力軸206に入力される荷重に応じた信号を、制御回路261に出力する。ひずみセンサ8L,8Rは、ステップ183L,183Rに加わる荷重に応じた信号を、制御回路261に出力する。傾斜センサ7は、所定の基準線に対する自身の傾きに応じた信号を制御回路261に出力する。
制御回路261は、荷重センサ6からの信号に基づいて、入力軸206に入力される荷重を算出し、算出した荷重と所定の閾値とを比較して、着座ユニット4に搭乗者が着座しているか否かを判定する。また、制御回路261は、ひずみセンサ8L,8Rからの信号に基づいて、ステップ183L,183Rに加わる荷重を算出し、算出した荷重と所定の閾値とを比較して、ステップ183L,183Rに搭乗者が足を乗せているか否かを判定する。
更に、制御回路261は、着座ユニット4に着座しているか否かの判定結果と、ステップ183L,183Rへ足を乗せているか否かの判定結果とに基づいて、移動体1への搭乗者の有無および搭乗者の搭乗姿勢を判定する。本実施形態に係る移動体1では、図11(a)に示されるように、搭乗者Dは着座ユニット4に着座して搭乗する着座搭乗姿勢と、図11(b)に示されるように、左右ステップ183L,183R上に起立し、格納位置にある着座ユニット4のクッション部を膝部および大腿部で挟みこむようにして搭乗する起立搭乗姿勢とをとることができる。着座ユニット4に着座していないと判定し、ステップ183L,183Rへ足を乗せていないと判定した場合には、移動体1に搭乗者はない(非搭乗状態)と判定する。着座ユニット4に着座していると判定した場合には、移動体1に搭乗者Dが着座搭乗姿勢で搭乗している(着座搭乗状態)と判定する。着座ユニット4に着座していないと判定し、ステップ183L,183Rに足を乗せていると判定した場合には、移動体1に搭乗者Dが起立搭乗姿勢で搭乗している(起立搭乗状態)と判定する。
また、制御回路261は、傾斜センサ7からの信号に基づいて、主輪85の回転中心と搭乗者Dを含む移動体1の重心とを結んだ軸線Bと鉛直方向とのなす角度である傾斜角θ(図11(b)ではθ=0の状態を示している。)を所定の演算処理により算出する傾斜推定部269を有する。傾斜角θは、前後方向をx軸、左右方向をy軸、鉛直方向をz軸とするxyz座標系を想定すると、x軸方向への傾斜角であるx成分θxと、y軸方向への傾斜角であるy成分θyとからなる。
そして、制御回路261は、傾斜角θに基づいて倒立振子制御を行う。倒立振子制御では、移動体1全体および搭乗者を含む重心を、走行ユニット3(主輪85)の接地点の概ね真上に位置させるように、傾斜角θを制御目標値である基準角θtに一致させる。搭乗者の有無および搭乗姿勢によって移動体1全体および搭乗者を含む重心位置が変化するため、基準角θtは移動体1の非搭乗状態、着座搭乗状態、起立搭乗状態の各状態において設定されている。
上記構成の移動体1では、各構成要素のうち比較的重量の大きい走行ユニット3とバッテリユニット10とが下部フレーム22と上部フレーム21とにそれぞれ離間して配置すると共に、それらの間に傾斜センサ7を配置する構成としたため、移動体1のコンパクト化を実現しつつ、その重心位置と傾斜センサ7の設置位置(くびれ部2A)とを一致(または略一致)させることができ、傾斜センサ7の検出結果に基づく加速度(移動体1の傾斜角θ)の推定誤差が小さくなって制御応答性が向上する。加えて、移動体1の上下の重量バランスがより均一化され、移動体1を横倒しにした状態での持ち運びが容易となるという利点もある。
また、上記構成の移動体1では、上部フレーム21に着座ユニット4を設けたため、走行ユニット3の重量がバッテリユニット10に比べて大きい場合でも移動体1の上下の重量バランスを均一化することが可能となり、移動体1の重心位置と傾斜センサの設置位置とを略一致させることが容易となる。
また、上記構成の移動体1では、上部フレーム21に着座ユニット4を設けると共に、下部フレーム22にステップ183L,183Rを設けたため、搭乗者の荷重が下部フレーム22と上部フレーム21とに分散され、搭乗者を含めた移動体1の重心を傾斜センサ7の設置位置付近におくことができる。
本発明を特定の実施形態に基づいて詳細に説明したが、これらの実施形態はあくまでも例示であって、本発明はこれらの実施形態によって限定されるものではない。例えば、本発明に係る倒立振子型移動体は、上述のような一輪車に限らず、車輪(主輪)を複数備えた構成も可能である。また、電装ユニットにおいては、各構成要素の配置は互いに入れ替えることが可能であり、場合によっては、一部の構成要素を省略することも可能である。
1 倒立振子型移動体
2 フレーム
2A くびれ部(接続部)
3 走行ユニット
4 着座ユニット(荷重受け部)
5 倒立振子制御ユニット
6 荷重センサ(力センサ)
7 傾斜センサ
8 ひずみセンサ
10 バッテリユニット
11 電装ユニット
13 上部構造体
14 下部構造体
21 上部フレーム
22 下部フレーム
24 サドル格納部
26 内部空間
28 サドル取付孔
29 接続凹部
30 連結孔
39 通気孔
63L,63R サドル
71 ハンドル
82L,82R 電動モータ
84L,84R 駆動体
85 主輪
183L,183R ステップ(ステップ部)
185 下部カバー
186L,186R サイドカバー
202 電装マウントフレーム
205 ボディ部
206 入力軸
210 連結部材ベース
214 第1コネクタ
216 第2コネクタ
241 制御基板
242 電源基板
243 モータドライバ基板
244 モータドライバ基板
246 通気路
247 送風ファン
261 制御回路
269 傾斜推定部
270 ゴムブッシュ
281 バッテリ
282 バッテリマネジメント基板
297 第3コネクタ
301 第4コネクタ
411 電力・信号ライン(接続ライン)

Claims (3)

  1. 下部フレームと、当該下部フレームの上側に分離可能に接続された上部フレームとからなる外殻構造を有する倒立振子型移動体であって、
    前記下部フレームに保持された移動用の走行ユニットと、
    前記上部フレームに保持され、前記走行ユニットに電力を供給するバッテリユニットと
    前記下部フレームと前記上部フレームとのいずれかに保持されると共に、鉛直方向における前記走行ユニットと前記バッテリユニットとの間に配置された倒立振子制御用の電装ユニットと
    を備え
    前記電装ユニットは荷重センサを備え、前記上部フレームと前記下部フレームとが前記荷重センサを介して連結されていることを特徴とする倒立振子型移動体。
  2. 下部フレームと、当該下部フレームの上側に分離可能に接続された上部フレームとからなる外殻構造を有する倒立振子型移動体であって、
    前記下部フレームに保持された移動用の走行ユニットと、
    前記上部フレームに保持され、前記走行ユニットに電力を供給するバッテリユニットと、
    前記上部フレームに保持され、操作者の臀部を支持する着座部と
    を備え、
    前記上部フレームが、前記バッテリユニットを収容する環状のバッテリ収容部を有し、前記着座部は、当該バッテリ収容部の中央の開口部に収容可能であることを特徴とする倒立振子型移動体。
  3. 前記走行ユニットは、環状の主輪と、当該主輪を回転駆動する電動モータと、当該電動モータの動力を前記主輪に伝達する駆動体とを有することを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の倒立振子型移動体。
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