JP5861651B2 - 移動装置、移動装置の制御方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は移動装置、移動装置の制御方法、及びプログラムに関し、特に移動装置に設けられたハンドルの傾きに応じて車輪に与えるトルクを制御する移動装置、移動装置の制御方法、及びプログラムに関する。

倒立二輪制御を有する移動装置は重量があり、乗り手のいない移動装置をユーザが運搬することは困難である。そこで近年、ユーザの入力に応じて車輪への制御指令を生成し、倒立状態を維持して走行する移動装置が広く用いられている。ユーザは、移動装置のハンドルを操作すること（前後方向に傾ける等）により速度や進行方向の制御を行い、移動装置を運搬する。

例えば特許文献１には、倒立状態を維持しつつユーザがハンドルを操作して移動装置におけるトルク制御に関する技術が開示されている。

米国特許第２００４／００１１５７３Ａ１明細書

上述の一般的な移動装置は、ユーザによる入力（すなわちハンドル操作）に応じて制御指令を算出する。移動装置は、当該制御指令に応じて車輪にトルクを与えることにより移動を行う。ここでユーザがハンドル操作を誤った場合、ユーザが把持するハンドルに対して大きな力が生じることがある。この場合、ハンドルを把持したユーザが、安全に移動装置を運搬することが困難になるという問題が生じていた。

そこで本発明は、上記の課題を鑑みたなされたものであって、ユーザが移動装置のハンドルを把持して安全に運搬を行うことができる移動装置、移動装置の制御方法、及びプログラムを提供することを主たる目的とする。

本発明の一実施の態様にかかる移動装置は、台車に取り付けられたハンドルの傾きに応じて車輪に与えるトルクを発生するアクチュエータを備え、ユーザによる運搬を補助する移動装置であって、前記ハンドルの傾きに応じて前記アクチュエータが発生させるトルク量を指示する制御指令を算出する制御指令演算部と、前記アクチュエータが発生させたトルクを検出し、検出したトルクと前記移動装置の各種パラメータとを用いた演算により前記ハンドルが前記ユーザに与える抵抗力を推定する抵抗力推定部と、前記抵抗力と所定ゲインに基づいて前記制御指令を減少させた修正制御指令を生成して前記アクチュエータに入力する制御指令修正部と、を備えるものである。
このような構成により高度な技量を要することなくユーザが安全に移動装置に搭乗することができる。

前記制御指令修正部は、前記抵抗力と前記所定ゲインとの乗算を用いて算出した値を前記制御指令から減算することにより前記修正制御指令を算出し、前記所定ゲインは、０よりも大きく１よりも小さいことが望ましい。
これにより、移動装置１が静止状態で移動してしまうことや抵抗力が増加してしまう事態を回避することができる。

前記所定ゲインは、前記移動装置の官能評価によって算出された値であることが望ましい。

前記制御指令演算部は、ユーザの不感帯に関する入力に応じて、前記ハンドルの傾きと前記制御指令との関係を示す複数のテーブルから１つのテーブルを選択し、選択したテーブルに応じて前記制御指令を算出する、ことが望ましい。
これにより、ユーザは不感帯の大きさを自由に選択して移動装置を制御することができる。

本発明の一実施の態様にかかる移動装置の制御方法は、台車に取り付けられたハンドルの傾きに応じて車輪に与えるトルクを発生するアクチュエータを備え、ユーザによる運搬を補助する移動装置の制御方法であって、前記ハンドルの傾きに応じて前記アクチュエータが発生させるトルク量を指示する制御指令を算出する制御指令演算ステップと、前記アクチュエータが発生させたトルクを検出し、検出したトルクと前記移動装置の各種パラメータとを用いた演算により前記ハンドルが前記ユーザに与える抵抗力を推定する抵抗力推定ステップと、前記抵抗力と所定ゲインに基づいて前記制御指令を減少させた修正制御指令を生成して前記アクチュエータに入力する制御指令修正ステップと、を備えるものである。
このような構成により高度な技量を要することなくユーザが安全に移動装置に搭乗することができる。

本発明の一実施の態様にかかるプログラムは、台車に取り付けられたハンドルの傾きに応じて車輪に与えるトルクを発生するアクチュエータを備え、ユーザによる運搬を補助する移動装置の制御プログラムであって、コンピュータに、前記ハンドルの傾きに応じて前記アクチュエータが発生させるトルク量を指示する制御指令を算出する制御指令演算ステップと、前記アクチュエータが発生させたトルクを検出し、検出したトルクと前記移動装置の各種パラメータとを用いた演算により前記ハンドルが前記ユーザに与える抵抗力を推定する抵抗力推定ステップと、前記抵抗力と所定ゲインに基づいて前記制御指令を減少させた修正制御指令を生成して前記アクチュエータに入力する制御指令修正ステップと、を実行させるものである。
このような構成により高度な技量を要することなくユーザが安全に移動装置に搭乗することができる。

本発明では、高度な技量を要することなく安全に搭乗を行うことができる移動装置、移動装置の制御方法、及びプログラムを提供することができる。

実施の形態１にかかる移動装置１の外観構成を示す図である。 実施の形態１にかかる移動装置１に設けられた制御システム１０の構成を示すブロック図である。 実施の形態１にかかるピッチ角度（ハンドル６の傾き）とトルク指令（制御指令）の関係を示すテーブルである。 実施の形態１にかかる移動装置１の不感帯を示す概念図である。 実施の形態１にかかるピッチ角度（ハンドル６の傾き）とトルク指令（制御指令）の関係を示すテーブルである。 実施の形態１にかかるピッチ角度（ハンドル６の傾き）とトルク指令（制御指令）の関係を示すテーブルである。 実施の形態１にかかるピッチ角度（ハンドル６の傾き）と角速度指令（制御指令）の関係を示すテーブルである。 実施の形態１にかかる移動装置１による制御指令の修正処理の流れを示すフローチャートである。

＜実施の形態１＞
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる移動装置の外観構成を示す図である。移動装置１は、アクチュエータ２、台車３、センサ４、一対の車輪５（５Ｒ及び５Ｌ）、及びハンドル６を有する。台車３の水平面（地面）に対する傾きは、ユーザのハンドル６の操作に応じて変化する。台車３の水平面（地面）に対する傾き（すなわちハンドル６の傾き）の変化に応じて、アクチュエータ２が車輪５に与えるトルクを制御する。以下、各構成要素について詳細に説明する。

アクチュエータ２は、車輪５Ｒ及び５Ｌに与えるトルクを発生させる。例えばアクチュエータ２は、電動モータである。なおアクチュエータ２は、後述する制御システム１０の算出した修正制御指令に応じたトルクを車輪５Ｒ及び５Ｌに与える。

台車３は、例えば移動装置が積載される板状の筐体である。なお台車３の形状は、任意の形状でよい。ハンドル６の一端は台車３の前方部分に連結されており、他端が鉛直方向に延びて配置される。ユーザは、ハンドル６の他端を把持して操作することにより、移動装置１の動作を制御する。すなわちユーザは、ハンドル６を把持して傾けることにより台車３を傾けることができる。

センサ４は、台車３の傾きを検出する周知の傾き検出手段である。センサ４は、例えば加速度センサやジャイロセンサ等の一般的なセンサデバイスを用いて構成される。図１に示すように、移動装置１の進行方向の前方方向に延びる軸をロール軸、移動装置１の左方向に延びる軸をピッチ軸、移動装置１の鉛直方向の上方に延びる軸をヨー軸とする。この場合にセンサ４は、ピッチ軸周りにおけるハンドル６の傾き（すなわち、ロール軸周りの台車３の傾き角度）を検出する。

車輪５Ｒと５Ｌは、台車３の側面に配置され、同軸上に設けられている。車輪５Ｒと５Ｌは、アクチュエータ２から与えられるトルクを受けて回転する。なお、移動装置１は、図示するような円状の車輪のみならずクローラ等にみられる形状を持つ車輪を有してもよい。すなわち、移動装置１は、アクチュエータ２の発生したトルクに応じて移動を行う構成であればよい。

移動装置１には、図示しないスイッチ等の入力手段が設けられている。ユーザは、これらのスイッチ等を制御することにより、移動装置１に対する各種の入力処理を実行することができる。たとえばユーザは、スイッチの押下により移動装置１の動作モードの変更を指定することができる。また移動装置１は、移動装置１を制御する制御システム１０（図１には図示せず）を有する。制御システム１０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）や記憶装置（ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等）を有する一般的な演算装置から構成される。

続いて図２を参照して移動装置１内に設けられた制御システム１０の構成について説明する。図２は、移動装置１内に設けられた制御システムの概念構成を示すブロック図である。制御システム１０は、制御選択判定部１１、姿勢演算部１２、制御指令演算部１３、制御指令修正部１４、抵抗力推定部１５、及び駆動部１６を備える。

制御選択判定部１１は、ユーザによるスイッチ（図示せず）の制御に応じて移動装置１の制御モードの選択を判定する。制御モードとは、例えば通常モード、待機モード等が含まれる。姿勢演算部１２は、センサ４が検出したデータからハンドル６の傾き（すなわち台車３の傾き）を算出する。姿勢演算部１２によるハンドル６の傾きの算出手法は、小型移動モビリティの分野において一般的に用いられる手法であれば良い。

制御指令演算部１３は、姿勢演算部１２が算出したハンドル６の傾きからアクチュエータ２に与える制御指令を算出する。制御指令とは、アクチュエータ２が発生させるトルクの大きさを指示する指令である。制御指令の算出手法について、図３を参照して説明する。図３は、制御指令演算部１３が制御指令の算出の際に参照するテーブルである。当該テーブルは、ピッチ角度（ハンドル６の傾き）とトルク指令（制御指令）の関係を保持する。なお図３では、ピッチ角度（radian）に対応する角度（degree）も合わせて示している。また図３は、トルク指令に対応する移動装置１の時速についても参考として表示している。制御指令演算部１３は、姿勢演算部１２が算出したハンドル６の傾き、すなわちピッチ角度に対応するトルク指令を当該テーブルから算出し、算出したトルク指令を制御指令修正部１４に供給する。例えば制御指令演算部１３は、ピッチ角度が"−０．５４１０（rad）"である場合、トルク指令として"−１．２０００"を制御指令修正部１４に供給する。

なお制御指令演算部１３は、ユーザによる不感帯の大きさの選択に応じて使用するテーブルを切り替えてもよい。はじめに不感帯について図４を参照して説明する。図４は、移動装置１の概略図と不感帯との関係を示す概念図である。不感帯とは、アクチュエータ２がトルクを発生させない領域である。制御指令演算部１３は、図示するように移動装置１が倒立に近い状態、またはハンドル６の傾きが大きい状態には不感帯に属する状態とする。すなわち制御指令演算部１３は、移動装置１が倒立に近い状態、またはハンドルの傾きが大きい状態にはアクチュエータ２がトルクを発生しないように制御する。

ユーザは、図示しないスイッチの操作等によりこの不感帯の大きさを制御する。図５は、不感帯を大きくした場合のピッチ角度とトルク指令との関係を示すテーブルである。図示するように、時速が０（ｋｍ／ｈ）となる角度領域（図中の矢印部分であり、−３０°〜−０°）が図３に示す角度領域（図中の矢印部分であり、−２０°〜−１０°）よりも大きい。一方、図６は不感帯を小さくした場合のピッチ角度とトルク指令との関係を示すテーブルである。図示するように、時速が０（ｋｍ／ｈ）となる角度領域（図中の矢印部分であり、−１６°〜−１４°）が図３に示す角度領域（図中の矢印部分であり、−２０°〜−１０°）よりも小さい。

なお制御指令演算部１３は、制御指令としてトルク指令ではなく、角速度指令を出力してもよい。図７は、制御指令として角速度指令を出力する場合に参照するテーブルの例を示す図である。制御指令演算部１３は、同様の手法により角速度指令を算出し、制御指令修正部１４に供給する。なお以下の説明では、制御指令演算部１３は、トルク指令を出力するものとする。

再び図２を参照する。抵抗力推定部１５は、アクチュエータ２において発生したトルクを検知する。例えば抵抗力推定部１５は、アクチュエータ２が発生させた電流値からトルクを検知する。そして、抵抗力推定部１５は、摩擦要素を考慮してハンドル６がユーザを押す抵抗力を推定する。詳細には、抵抗力推定部１５は、以下の（式１）を用いて抵抗力ｆを推定する。（式１）に示すように、抵抗力指定部１５は、移動装置１に関する各種パラメータ（タイヤ半径、車両重量等）を用いて抵抗力ｆを算出する。抵抗力推定部１５は、算出した抵抗力推定値ｆを制御指令修正部１４に供給する。

制御指令修正部１４は、抵抗力推定部１５の算出した抵抗力推定値ｆを用いて制御指令演算部１３が算出した制御指令を修正する。詳細には制御指令修正部１４は、以下の算出式（式２）を用いて修正制御指令を算出する。制御指令修正部１４は、算出した修正制御指令を駆動部１６に供給する。修正制御指令は、アクチュエータ２が最終的に発生させるトルクの大きさを指示する命令である。アクチュエータ２は、修正制御指令に応じて発生させるトルクを調整し、車輪５を駆動する。

上述のように調整ゲインＫ_ａは、０＜Ｋ_ａ＜１の範囲で設定される。これにより、移動装置１が静止状態で移動してしまうことや抵抗力が増加してしまう（すなわちハンドル６がユーザを押す力を強くしてしまう）事態を回避することができる。

上述の調整ゲインＫ_ａは、官能評価に応じて設定することが望ましい。詳細には、複数のユーザに移動装置１を操作してもらい、その評価（操作しやすやの評価）に応じた最適な値に設定する。なお、ユーザ毎に移動装置１を安全に操作できるか否かの感覚は異なるため、図示しないスイッチの制御に応じて適宜調整ゲインＫ_ａを変更できるようにしても良い。

駆動部１６は、アクチュエータ２を制御する処理部である。駆動部１６は、制御指令修正部１４から供給された修正制御指令に応じたトルクをアクチュエータ２が発生させるように制御（例えばソフトウェア的な制御）を行う。駆動部１６は、アクチュエータ２の回転軸に動力伝達可能に連結された減速ギア列や車輪５の回転数を検出するためのカウンタ等に対して適宜制御を行うことができる。

続いて図８を参照して移動装置１による制御指令の修正処理について説明する。図８は、移動装置１による制御指令の修正処理の流れを示すフローチャートである。
移動装置１の電源がＯＮとなった後に、移動装置１は、制御指令修正処理を行うことを示すスイッチのＯＮ検出を行う（Ｓ１０１）。その後に、姿勢演算部１２は、センサ４が検出したデータからハンドル６の傾き（すなわち台車３の傾き、ピッチ角度）を算出する（Ｓ１０２）。

制御指令演算部１３は、姿勢演算部１２が算出したハンドル６の傾き（ピッチ角度）から上述のテーブル（図３等）を用いた演算により制御指令を算出する（Ｓ１０３）。Ｓ１０３の処理と平行して、抵抗力推定部１５は、アクチュエータ２において発生したトルクからハンドル６がユーザを押す抵抗力を推定する（Ｓ１０４）。抵抗力の推定処理は、たとえば上述の（式１）を用いた演算により行う。

制御指令修正部１４は、抵抗力推定部１５の算出した抵抗力推定値を用いて制御指令演算部１３が算出した制御指令を修正する（Ｓ１０５）。制御指令の修正には、たとえば上述の（式２）を用いた演算により行う。駆動部１６は、算出した修正制御指令を用いてアクチュエータ２が生成するトルクを調整する。

続いて本実施の形態にかかる移動装置１の効果について説明する。上述のように移動装置１は、ハンドル６の操作により算出した制御指令に対し、抵抗力推定値に応じて修正を行っている。これにより移動装置１のハンドル６がユーザを押す力を小さくすることができる。ハンドル６がユーザを押す力を小さくすることにより、ユーザは安全に移動装置１を運搬することが可能となる。

詳細には上述のように、調整ゲインＫ_ａを０＜Ｋ_ａ＜１の範囲で設定することにより、制御指令修正部１４は、ハンドル６がユーザを押す力を確実に小さくすることができる。これにより、ユーザは移動装置１を安全に運搬することができる。

調整ゲインＫ_ａは、０＜Ｋ_ａ＜１の範囲で官能評価に応じて定めた値に設定される。上述のように官能評価は、多くのユーザが移動装置１を操作して行う評価である。これにより、多くのユーザが安全に感じる車両制御を実現することができる。

なお、上述の制御システム１０（制御選択判定部１１、姿勢演算部１２、制御指令演算部１３、制御指令修正部１４、抵抗力推定部１５、及び駆動部１６）の処理は、ＣＰＵによってプログラムの形式で実行されてもよい。プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（random access memory））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

台車３は、重量のある物等が積載される板状の筐体であってもよい。この場合ユーザが移動装置１の傍らでハンドル６の操作を行うことにより移動装置１を移動させ、台車３の上に乗せた積載物を運搬する。すなわち、移動装置１は、ユーザが台車３上に乗せた積載物を運搬することを補助することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

１ 移動装置
２ アクチュエータ
３ 台車
４ センサ
５（５Ｒ、５Ｌ） 車輪
６ ハンドル
１０ 制御システム
１１ 制御選択判定部
１２ 姿勢演算部
１３ 制御指令演算部
１４ 制御指令修正部
１５ 抵抗力推定部
１６ 駆動部

Claims (6)

1. 台車に取り付けられたハンドルの傾きに応じて車輪に与えるトルクを発生するアクチュエータを備え、ユーザによる運搬を補助する移動装置であって、
   前記ハンドルの傾きに応じて前記アクチュエータが発生させるトルクの大きさを指示する制御指令を算出する制御指令演算部と、
   前記アクチュエータが発生させたトルクを検出し、検出したトルクと前記移動装置の各種パラメータとを用いた演算により前記ハンドルが前記ユーザに与える抵抗力を推定する抵抗力推定部と、
   前記抵抗力と所定ゲインに基づいて前記制御指令を減少させた修正制御指令を生成して前記アクチュエータに入力する制御指令修正部と、
   を備える移動装置。
2. 前記制御指令修正部は、
   前記抵抗力と前記所定ゲインとの乗算を用いて算出した値を前記制御指令から減算することにより前記修正制御指令を算出し、
   前記所定ゲインは、０よりも大きく１よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載の移動装置。
3. 前記所定ゲインは、前記移動装置の官能評価によって算出された値であることを特徴とする請求項２に記載の移動装置。
4. 前記制御指令演算部は、
   ユーザの不感帯に関する入力に応じて、前記ハンドルの傾きと前記制御指令との関係を示す複数のテーブルから１つのテーブルを選択し、選択したテーブルに応じて前記制御指令を算出する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の移動装置。
5. 台車に取り付けられたハンドルの傾きに応じて車輪に与えるトルクを発生するアクチュエータを備え、ユーザによる運搬を補助する移動装置の制御方法であって、
   前記ハンドルの傾きに応じて前記アクチュエータが発生させるトルクの大きさを指示する制御指令を算出する制御指令演算ステップと、
   前記アクチュエータが発生させたトルクを検出し、検出したトルクと前記移動装置の各種パラメータとを用いた演算により前記ハンドルが前記ユーザに与える抵抗力を推定する抵抗力推定ステップと、
   前記抵抗力と所定ゲインに基づいて前記制御指令を減少させた修正制御指令を生成して前記アクチュエータに入力する制御指令修正ステップと、
   を備える移動装置の制御方法。
6. 台車に取り付けられたハンドルの傾きに応じて車輪に与えるトルクを発生するアクチュエータを備え、ユーザによる運搬を補助する移動装置の制御プログラムであって、
   コンピュータに、
   前記ハンドルの傾きに応じて前記アクチュエータが発生させるトルクの大きさを指示する制御指令を算出する制御指令演算ステップと、
   前記アクチュエータが発生させたトルクを検出し、検出したトルクと前記移動装置の各種パラメータとを用いた演算により前記ハンドルが前記ユーザに与える抵抗力を推定する抵抗力推定ステップと、
   前記抵抗力と所定ゲインに基づいて前記制御指令を減少させた修正制御指令を生成して前記アクチュエータに入力する制御指令修正ステップと、
   を実行させる、プログラム。

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