JP5958581B2 - 手押し車 - Google Patents

Description

この発明は、車輪を備えた手押し車に関し、特に車輪を駆動、制御する手押し車に関するものである。

従来、車輪を駆動、制御して倒立振子制御を行う移動体が知られている。例えば、特許文献１には、倒立振子制御を行う同軸二輪車であって、主輪の前に補助輪を備えたものが記載されている。

特開２０１１−１６８２３６号公報

しかし、倒立振子制御は、鉛直方向に対する本体部の傾斜角度を所定の角度に保つ制御を行うものであって、本体部をその場に停止させる制御を行うものではない。したがって、例えば坂道では、当該坂道の傾斜によって生じる重力トルクによって、意図せずに本体部が移動してしまう可能性があった。

そこで、この発明は、坂道における重力トルクによって意図せずに本体部が移動してしまうことを防止する手押し車を提供することを目的とする。

本発明の手押し車は、車輪と、該車輪をピッチ方向に回転可能に支持する本体部と、前記車輪を駆動、制御する駆動制御部と、前記本体部のピッチ方向の角度変化を検知する角度変化検知手段と、前記車輪の回転角を検知する回転角検知手段と、を備えている。

そして、前記駆動制御部は、前記角度変化検知手段の出力に基づいて、前記本体部の角度変化が０となるように、かつ前記本体部の鉛直方向に対する角度が第１の角度になるように、前記車輪の回転を制御する第１の制御モードと、前記回転角検知手段の出力に基づいて、前記車輪の回転角の変化が０となるように前記車輪の回転を制御する第２の制御モードと、を実行する。第１の制御モードと第２の制御モードは、切替手段によって切り替えられる。

第１の制御モードでは、倒立振子制御により、本体部の傾斜角度を第１の角度に維持する。例えば、駆動制御部は、本体部の鉛直方向に対する傾斜角度を０、かつ角速度を０に維持するように、車輪に印加するトルクを算出し、当該車輪を駆動する。この第１の制御モードでは、当該手押し車が自立した状態であり、本体部をその場に停止させる制御を行うものではないため、ユーザが本体部を押すことで手押し車として使用できる。

そして、第１の制御モードにおいて、例えば切替スイッチにより切り替え指示がなされると、第２の制御モードに切り替わる。第２の制御モードは、車輪の回転角の変化が０となるように制御する。すなわち、駆動制御部は、第１の制御モードから第２の制御モードに切り替わったときに回転角速度０を目標値として、この目標値とのずれが０となるように、車輪に印加するトルクを算出する。例えば、駆動制御部は、車輪の回転角速度０と、現時点で検知した車輪の回転角速度と、の差分値を算出し、当該差分値が０となるような本体部の傾斜角度を算出する。そして、駆動制御部は、本体部の鉛直方向に対する傾斜角度が、この算出した傾斜角度になるように、かつ角速度が０となるように、車輪に印加するトルクを算出する。なお、上述の例では、駆動制御部は、本体部の傾斜角度が目標の傾斜角度になるように制御しているが、車輪の回転角速度が０となるように制御するだけでもよい。

この第２の制御モードでは、車輪の回転角速度が０にとどまることになるため、仮に坂道において重力トルクが働いたとしても、本体部がその場にとどまることになる。したがって、坂道における重力トルクによって意図せずに本体部が移動してしまうことを防止することができる。

なお、第１の制御モードと第２の制御モードの切り替えは、ユーザが手動で指示してもよいが、例えば、本体部の一部に、人体が触れているか否かを検知する接触センサを設け、接触している場合に第１の制御モードを実行し、接触しなくなった場合に第２の制御モードを実行する態様も可能である。この場合、ユーザが移動体を手押し車として使用している場合には坂道を上るまたは下ることができ、手を離したときには、手押し車がその場で停止するため、安全性が向上する。

また、本発明の手押し車は、地面斜度（水平面に対する地面の傾斜角）を検知する斜度検知手段を備えていることが好ましい。この場合、第２の制御モードにおいて、地面斜度による重力トルクを補償するトルクを印加するフィードフォワード制御を行うことも可能であるし、地面斜度による重力トルクを補償する本体部の鉛直方向に対する傾斜角度を算出し、目標の傾斜角度をフィードフォワード制御で補正することも可能である。

この発明によれば、坂道における重力トルクによって意図せずに本体部が移動してしまうことを防止することができる。

同軸二輪車の外観図である。 同軸二輪車の構成を示す制御構成図である。 第１の制御モード時の制御部２１のブロック線図である。 第２の制御モード時の制御部２１のブロック線図である。 地面傾斜角、本体傾斜角度、および交差角度の関係を示す図である。 変形例１における制御部２１のブロック線図である。 地面傾斜角と本体傾斜角度の関係を示す図である。 変形例２における制御部２１のブロック線図である。 第２の制御モード時の制御部２１のブロック線図である。

図１は、本発明の手押し車の実施形態である同軸二輪車１の外観図である。図２は、同軸二輪車１の構成を示す制御構成図である。

同軸二輪車１は、例えば、直方体形状の本体部１０を備えている。本体部１０は、鉛直方向（図中Ｚ，−Ｚ方向）に長く、奥行き方向（図中Ｙ，−Ｙ方向）に短い形状である。本体部１０は、内部に制御用の基板や電池等を内蔵している。

本体部１０の鉛直下方向（−Ｚ方向）の下部のうち、右側（図中Ｘ方向）の端部および左側（図中−Ｘ方向）の端部には、主輪１１が取り付けられている。これら一対の主輪１１は、同じ軸に取り付けられ、同期して回転する。ただし、これら主輪１１は、それぞれ個別に駆動させ、回転させることも可能である。また、この実施形態においては、主輪１１は２輪である例を示しているが、１輪あるいは３輪以上であってもよい。

本体部１０の鉛直方向上部には、例えば、円筒形状のハンドル１５の一端が取り付けられ、ハンドル１５の他端には、Ｔ字型のグリップ部１６が取り付けられている。グリップ部１６には、電源スイッチ等のユーザインタフェース（図２に示すユーザＩ／Ｆ２８）が設けられている。ハンドル１５のうち、グリップ部１６に近い位置には手動ブレーキ２９が取り付けられている（手動ブレーキは、本発明において必須の構成ではない）。ユーザは、グリップ部１６を握る、あるいは前腕等をグリップ部１６に載せ、グリップ部と前腕等の摩擦により、同軸二輪車１を押すことができる。

なお、本体部１０は、実際にはカバーが取り付けられ、内部の基板等が外観上見えないようになっている。

本体部１０の背面（−Ｙ方向）には、棒状の支持部１２の一端が取り付けられる。支持部１２の一端は、本体部１０に回転可能に接続されている。支持部１２の他端には、補助輪１３が取り付けられる。支持部１２は、本体部１０を支持するものであり、本体部１０の転倒を防止するためのものである。なお、支持部１２および補助輪１３は、本発明において必須の構成ではないが、補助輪１３を設けることで、電源オフ時に本体部１０が鉛直方向から大きく傾いた状態となった場合においても、主輪１１および補助輪１３が接地されることにより、同軸二輪車を押すことができる。また、支持部１２および補助輪１３は、２つ以上であってもよい。

次に、同軸二輪車１の構成および基本動作について説明する。図２に示すように、同軸二輪車１は、傾斜角センサ２０、制御部２１、ＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３、ジャイロセンサ２４、主輪駆動部２５、主輪用ロータリエンコーダ２６、支持部用ロータリエンコーダ２７、ユーザＩ／Ｆ２８、および手動ブレーキ２９を備えている。

制御部２１は、同軸二輪車１を統括的に制御する機能部であり、ＲＯＭ２２に記憶されているプログラムを読み出し、当該プログラムをＲＡＭ２３に展開することで種々の動作を実現する。傾斜角センサ２０は、本体部１０のピッチ方向（図１における主輪１１の軸を中心とする回転方向）の鉛直方向に対する傾斜角を検知し、制御部２１に出力する。ジャイロセンサ２４は、本体部１０のピッチ方向の角速度を検知し、制御部２１に出力する。なお、同軸二輪車１は、本体部１０の各方向の加速度を検知する加速度センサや、補助輪１３の回転角度を検知するロータリエンコーダ等をさらに備えていてもよい。

主輪用ロータリエンコーダ２６は、主輪１１の回転角度を検知し、検知結果を制御部２１に出力する。支持部用ロータリエンコーダ２７は、本体部１０と支持部１２とのなす角度である交差角度を検知し、検知結果を制御部２１に出力する。

基本動作（以下、第１の制御モードと言う。）として、制御部２１は、ジャイロセンサ２４および傾斜角センサ２０の検知結果に基づいて、本体部１０のピッチ方向の傾斜角の変化を検知し、本体部１０のピッチ方向の角度変化がゼロとなるように、かつ本体部１０の鉛直方向に対する傾斜角度が第１の値（０または０に近い値）となるように、主輪駆動部２５を制御する。

図３は、第１の制御モード時における制御部２１のブロック線図である。第１の制御モードでは、制御部２１は、本体部傾斜角度制御器２１２および本体部傾斜角速度制御器２１３を備えている。本体部傾斜角度制御器２１２は、目標の傾斜角度（第１の値：例えば０度）と、傾斜角センサ２０から入力された現時点の本体部１０の傾斜角度と、の差分値を入力し、この差分値が０となるような本体部１０の傾斜角速度を算出する。そして、本体部傾斜角速度制御器２１３は、本体部傾斜角度制御器２１２で算出された傾斜角速度と、ジャイロセンサ２４から入力された現時点の本体部１０の傾斜角速度と、の差分値を入力し、この差分値が０となるような印加トルクを算出する。

主輪駆動部２５は、主輪１１に取り付けられた軸を回転させるモータを駆動する機能部であり、上記本体部傾斜角速度制御器２１３で算出されたトルクを主輪１１のモータに印加し、主輪１１を回転させる。

このようにして、同軸二輪車１は、第１の制御モードとして、倒立振子制御を行い、本体部１０の姿勢を一定に保つように制御する。同軸二輪車１は、ユーザがグリップ部１６を握って同軸二輪車１を押した場合でも一定の姿勢を保つため、手押し車として使用することができる。

なお、ここでは、本体部１０のピッチ方向の傾斜角の角度変化を検知する手段として、ジャイロセンサ２４および傾斜角センサ２０を用いる例を示したが、加速度センサを用いることも可能であるし、その他どの様なセンサを用いてもよい。

また、本体部傾斜角度制御器２１２は、目標の傾斜角度（例えば０度）と、傾斜角センサ２０から入力された現時点の本体部１０の傾斜角度と、の差分値を入力する例を示したが、目標の傾斜角度（例えば０度）を、地面と垂直方向に対する本体部１０の傾斜角度と、坂道の斜度分を合わせたものとしてもよい。地面と垂直方向に対する本体部１０の傾斜角度は、支持部用ロータリエンコーダ２７から入力された本体部１０と支持部１２の交差角度から算出することができる。

例えば、図５に示すように、本体部１０と支持部１２の交差角度をθ_１、地面と垂直方向に対する本体部１０の傾斜角度をθ_２、本体部１０の長さ（本体部１０と支持部１２の交差位置から主輪１１までの長さ）をＬ_１、支持部１２の長さ（本体部１０と支持部１２の交差位置から補助輪１３までの長さ）をＬ_２とすると、Ｌ_１ｃｏｓθ_２＝Ｌ_２ｃｏｓ（θ_１−θ_２）の関係から、地面と垂直方向に対する本体部１０の傾斜角度θ_２は、

の計算式により算出することができる。

以上のようにして、同軸二輪車１は、第１の制御モードとして、倒立振子制御を行い、本体部１０の姿勢を一定に保つように制御する。そして、本実施形態の同軸二輪車１は、上記の倒立振子制御を行いつつ、さらにその場にとどまり続ける第２の制御モードも実行することが可能である。

図４は、第２の制御モード時における制御部２１のブロック線図である。第２の制御モード時における制御部２１は、図３の示した第１の制御モード時における制御部２１の構成に加えて、タイヤ角速度制御器２１１を備えている。本体部傾斜角度制御器２１２および本体部傾斜角速度制御器２１３の構成および機能は、第１の制御モードと同じである。

第１の制御モードと第２の制御モードは、例えばユーザＩ／Ｆ２８に設けられた切替スイッチにより切り替え指示がなされると、切り替えられる。タイヤ角速度制御器２１１は、主輪１１の回転角速度θ_２ｒｅｆ ^’＝０を目標値として、当該目標値と、主輪用ロータリエンコーダ２６から出力される信号の微分値である現時点の主輪１１の回転角速度θ_２ ^’と、の差分値を入力する。タイヤ角速度制御器２１１は、この差分値が０となるような本体部１０の傾斜角度θ_１ｒｅｆを算出する。

傾斜角度θ_１ｒｅｆは、本体部１０の重心位置をｙ_ｇ、重力トルクをτ_１とすると、τ_１＝ｍｇ・θ_１ｒｅｆ・ｙ_ｇ（ただし、ｍは本体部１０の質量、ｇは重力加速度）の関係から、θ_１ｒｅｆ＝（１／ｍｇｙ_ｇ）・τ_１となる。そして、主輪モータトルクをτ_２とすると、角加速度と慣性モーメントの関係から、τ_２＝Ｊ・θ_２ｒｅｆ ^’’となり、θ_２ｒｅｆ ^’’＝（θ_２ｒｅｆ ^’−θ_２ ^’）／Ｔとなる（ただし、Ｔ＝時間）ため、主輪モータトルクで重力トルクを補償すると考えると、τ_１＝τ_２であるから、

となる。

ただし、タイヤ角速度制御器２１１は、入力される差分値が瞬時的に０となった場合に本体角度傾斜角が０として出力され、本体部１０が移動してしまうことを防止すべく、積分処理を行う。

第２の制御モードでは、この算出した傾斜角度が、目標の傾斜角度となる。そして、当該目標傾斜角度と、傾斜角センサ２０から入力された現時点の本体部１０の傾斜角度と、の差分値が本体部傾斜角度制御器２１２に入力される。よって、仮に坂道における重力トルクが働いて、主輪１１が回転したとしても、当該回転角の変化が０となるようなトルクが算出されるため、同軸二輪車１は、第２の制御モードに切り替わった時点の位置にとどまることになる。したがって、第２の制御モードでは、坂道における重力トルクによって意図せずに本体部１０が移動してしまうことを防止することができる。

なお、上記の例は、切替スイッチにより切り替え指示がなされると、第１の制御モードと第２の制御モードが切り替えられる例を示したが、グリップ部１６にタッチセンサを設け、ユーザがグリップ部１６に接触していないことを検知した場合に、第１の制御モードから第２の制御モードに切り替えられるようにしてもよい。この場合、ユーザがグリップ部１６に接触していることを検知した場合に、第２の制御モードから第１の制御モードに切り替えられる。また、ユーザの手が離れたことを検知した場合で、かつ所定時間が経過した場合に限り、第１の制御モードから第２の制御モードに切り替えられるようにしてもよい。

なお、第２の制御モードは、必ずしも第１の制御モードの倒立振子制御を行いつつ実行する必要はなく、倒立振子制御の姿勢制御ループを行わずに、その場にとどまり続ける角度制御ループだけを実行してもよい。

すなわち、図９に示すように、第２の制御モード時における制御部２１は、タイヤ角度制御器２２１のみを備える。タイヤ角度制御器２２１は、第２の制御モードに切り替わった時点の主輪用ロータリエンコーダ２６から出力されていた信号の値である回転角度θ_２ｒｅｆを目標値として、当該目標値と、主輪用ロータリエンコーダ２６から出力される信号の値である現時点の主輪１１の回転角度θ_２と、の差分値を入力する。タイヤ角度制御器２２１は、この差分値が０となるような印加トルクを算出する。この場合も、仮に坂道における重力トルクが働いて、主輪１１が回転したとしても、当該回転角の変化が０となるようなトルクが算出されるため、同軸二輪車１は、第２の制御モードに切り替わった時点の位置にとどまることになる。

なお、上述の例では、第２の制御モードから第１の制御モードに切り替えるタイミングとして、ユーザがグリップ部１６に接触していることを検知した場合を挙げたが、さらに、本体部１０の傾斜角が一定範囲内（例えば、−５度〜−３度）にある場合に切り替える態様としてもよい。この一定範囲は、倒立振子制御における本体部１０の傾斜角の目標値の近くに設定した場合、倒立振子制御を開始したときに本体部１０の傾斜角がほとんど変わらないため、ユーザに違和感を与えない。

次に、図６は、変形例１に係る制御部２１のブロック線図である。変形例１に係る第２の制御モードでは、制御部２１は、図４に示した第２の制御モード時における制御部２１の構成に加えて、斜度推定部２１４およびトルク指令生成部２１５を備えている。タイヤ角速度制御器２１１、本体部傾斜角度制御器２１２および本体部傾斜角速度制御器２１３の構成および機能は、図４に示した構成と同じである。

斜度推定部２１４は、支持部用ロータリエンコーダ２７の値（すなわち、本体部１０と支持部１２の交差角度θ_１）と、傾斜角センサ２０の値（すなわち、鉛直方向に対する本体部１０の傾斜角度θ_３）を入力し、地面傾斜角θ_ｈを推定する。

数１に示したように、地面と垂直方向に対する本体部１０の傾斜角度θ_２は、交差角度θ_１、本体部の長さＬ_１、支持部１２の長さＬ_２により求められる。すると、地面傾斜角θ_ｈは、θ_ｈ＝θ_２＋θ_３により求められる。

トルク指令生成部２１５は、斜度推定部２１４が推定した地面傾斜角θ_ｈを入力し、当該地面傾斜角θ_ｈにより発生する重力トルクを補償するためのトルク値を算出する。したがって、変形例１に係る制御部２１は、トルク指令生成部２１５で算出したトルク値を本体部傾斜角速度制御器２１３が算出したトルク値に加算し、フィードフォワード制御を行うことになる。坂道によって生じる重力トルクτ_１は、図７に示すように、坂道の傾斜に沿って生じる主輪１１の推進力をＦとし、主輪１１のタイヤ半径をＲとすると、τ_１＝ＦＲ＝ｍｇ・ｓｉｎθ_ｈ・Ｒ（ただし、ｍは本体部１０の質量、ｇは重力加速度）となる。したがって、トルク指令生成部２１５は、このτ_１に対して所定のフィードフォワード係数α（αは０〜１）を乗じた値「α・ｍｇ・ｓｉｎθ_ｈ・Ｒ」を補正トルク値として、本体部傾斜角速度制御器２１３が算出したトルク値に加算する。これにより、第２の制御モードに切り替わった時点で、本体部１０が坂道に存在する場合には、当該地面傾斜角による重力トルクを補償したトルクが主輪１１に印加されるため、タイヤ角速度制御器２１１によるフィードバック制御が働くよりも前に主輪１１にトルクを印加することができる。

次に、図８は、変形例２に係る制御部２１のブロック線図である。変形例２に係る第２の制御モードでは、制御部２１は、図４に示した第２の制御モード時における制御部２１の構成に加えて、斜度推定部２１４および傾斜角度指令生成部２１６を備えている。タイヤ角速度制御器２１１、本体部傾斜角度制御器２１２および本体部傾斜角速度制御器２１３の構成および機能は、図４に示した構成と同じである。

傾斜角度指令生成部２１６は、斜度推定部２１４から地面傾斜角θ_ｈを入力し、当該地面傾斜角θ_ｈにより発生する重力トルクを補償するための本体部１０の傾斜角度を算出する。

坂道によって生じる重力トルクτ_１は、図７に示したように、τ_１＝ＦＲ＝ｍｇ・ｓｉｎθ_ｈ・Ｒとなる。本体部１０の鉛直方向に対する傾斜角度によって生じるトルク反力τ_２は、τ_２＝ｍｇ・ｓｉｎθ・ｙ_ｇ（ただし、ｙ_ｇは本体部１０の重心の高さ）で表される。したがって、傾斜角度指令生成部２１６は、τ_１＝τ_２となるための補正傾斜角度θを算出する。ここで、ｓｉｎθをθで近似すると、ｍｇ・θ_ｈ・Ｒ＝ｍｇ・θ・ｙ_ｇとなり、θ＝（Ｒ／ｙ_ｇ）・θ_ｈとなる。したがって、例えば、Ｒ＝１００ｍｍ，ｙ_ｇ＝３００ｍｍとすると、地面傾斜角の１／３程度、本体部１０を傾斜させることになる。

傾斜角度指令生成部２１６は、上記のように算出した補正傾斜角度θに所定のフィードフォワード係数β（βは０〜１）を乗じた値「β・θ」を、タイヤ角速度制御器２１１が算出した傾斜角度に加算する。これにより、第２の制御モードに切り替わった時点で、本体部１０が坂道に存在する場合には、目標となる本体部１０の傾斜角度は、当該地面傾斜角による重力トルクを補償した本体部１０の傾斜角度に補正されるため、タイヤ角速度制御器２１１によるフィードバック制御が働くよりも前に主輪１１にトルクを印加することができる。

１０…本体部
１１…主輪
１２…支持部
１３…補助輪
１５…ハンドル
１６…グリップ部
２０…傾斜角センサ
２１…制御部
２２…ＲＯＭ
２３…ＲＡＭ
２４…ジャイロセンサ
２５…主輪駆動部
２６…主輪用ロータリエンコーダ
２７…支持部用ロータリエンコーダ
２９…手動ブレーキ
２１１…タイヤ角速度制御器
２１２…本体部傾斜角度制御器
２１３…本体部傾斜角速度制御器

Claims (4)

1. 車輪と、
   該車輪をピッチ方向に回転可能に支持する本体部と、
   前記車輪を駆動、制御する駆動制御部と、
   前記本体部のピッチ方向の角度変化を検知する角度変化検知手段と、
   前記車輪の回転角を検知する回転角検知手段と、
   グリップ部が取り付けられたハンドルと、
   人体の手または腕が前記グリップ部に接触しているか否かを検知する接触検知手段と、
   を備えた手押し車であって、
   前記駆動制御部は、前記角度変化検知手段の出力に基づいて、前記本体部の角度変化が０となるように、かつ前記本体部の鉛直方向に対する角度が第１の角度になるように、前記車輪の回転を制御する第１の制御モードと、
   前記回転角検知手段の出力に基づいて、前記車輪の回転角の変化が０となるように前記車輪の回転を制御する第２の制御モードと、
   を有し、
   前記第１の制御モードと前記第２の制御モードとを切り替える切替手段を備え、
   前記切替手段は、前記接触検知手段によって人体の手または腕が前記グリップ部に接触していないことを検知した場合に、前記第１の制御モードから前記第２の制御モードへ切り替え、
   前記接触検知手段によって人体の手または腕が前記グリップ部に接触していることを検知した場合に前記第２の制御モードから前記第１の制御モードへ切り替えることを特徴とする手押し車。
2. 前記切替手段は、さらに前記本体部の傾斜角が所定範囲内にあるかを判断し、所定範囲内にある場合に前記第２の制御モードから前記第１の制御モードへ切り替えることを特徴とする請求項１に記載の手押し車。
3. 地面斜度を検知する斜度検知手段を備え、
   前記第２の制御モードにおいて、さらに、前記斜度検知手段により検知した地面斜度による重力トルクを補償するトルクを印加する請求項１または請求項２に記載の手押し車。
4. 地面斜度を検知する斜度検知手段を備え、
   前記第２の制御モードにおいて、さらに、前記斜度検知手段により検知した地面斜度による重力トルクを補償する前記本体部の鉛直方向に対する角度を算出し、前記第１の角度を補正することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の手押し車。

Images