JP6213072B2

JP6213072B2 - 倒立二輪移動体

Info

Publication number: JP6213072B2
Application number: JP2013180981A
Authority: JP
Inventors: 一誠中島; 真弘上村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2017-10-18
Anticipated expiration: 2033-09-02
Also published as: JP2015047962A

Description

本発明は、倒立二輪移動体に関する。

近年、倒立二輪移動体（車両）をリハビリ用乗り物として用い、バランスのトレーニングを行う研究がなされている。例えば、倒立二輪移動体に搭乗した人の前方に指示画面を設置し、指示画面の指示に従って操作を行うトレーニング方法が提案されている。

特許文献１には、カント路（移動体から見て、その左右方向に傾斜している傾斜面）を走行する場合に、運転者が意図しない旋回を防止する倒立二輪移動体について記載されている。

特開２０１２−２３６５２２号公報

しかしながら、旋回禁止状態で倒立制御を継続した場合に、搭乗者の麻痺などの症状により重心位置と車両中心のずれなどが生じ、トレーニング中に倒立二輪車が旋回するという現象が発生する。またトレーニング開始時に、車両の正面にトレーニング指示画面が配置されている場合、旋回する現象により搭乗者は画面が見づらくなり、体を画面に向けようとしてバランスを崩す場合がある。そのため、継続的なリハビリトレーニングが難しいことがある。

本発明に係る倒立二輪移動体は、人が搭乗する車体と、前記車体の左右の同軸上に設けられた一対の車輪と、前記車体の前方部に連結して設けられた操作部と、前記車体が所定の方向を向いた状態を基準位置とし、基準位置から所定の第１の角度の旋回を検知する旋回検知部と、旋回禁止状態であって外乱が許容される状況下で、前記旋回検知部により車体の第１の角度の旋回を検知した場合に、旋回を抑制する方向に車体の方向を変更し、旋回角度が所定の第２の角度より小さくなるよう、車輪の動作を制御する制御部と、を備える。
これにより倒立二輪移動体が、搭乗者の意に反して旋回するのを抑制することができる。

継続的なリハビリトレーニングを実行できる。

実施の形態１にかかる倒立二輪移動体の構成を示すブロック図である。実施の形態１にかかる倒立二輪移動体と指示画面の配置を示す図である。実施の形態１にかかる旋回抑制制御の様子を示す図である。実施の形態１にかかる旋回抑制制御のフローチャートである。実施の形態１にかかる旋回検知の詳細なフローチャートである。実施の形態１にかかる旋回抑制の詳細な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、倒立二輪移動体１の構成を示すブロック図である。

倒立二輪移動体１は、車体１１と、操作部１２と、車輪１３を備える。倒立二輪移動体１は、一組の車輪を個別に回転制御して移動する移動体である。図２は、倒立二輪移動体１の前方に指示画面２を配置し、搭乗者がトレーニングを行う状態を示す図である。

車体１１は、姿勢検知部１１１と、旋回検知部１１２と、演算部１１３と、制御部１１４と、動力部１１５を備える。

姿勢検知部１１１は、搭乗者の姿勢を検知する。典型的には姿勢検知部１１１は傾き角センサを備え、搭乗者の重心移動により変化した車体１１の傾きを検知する。姿勢検知部１１１は、検知した傾き角の情報を制御部１１４に出力する。

旋回検知部１１２は、倒立二輪移動体１の旋回を検知する。例えば旋回検知部１１２は、角速度センサを有する。旋回検知部１１２は、倒立二輪移動体１の左右の車輪１３の角速度をそれぞれ検知する。旋回検知部１１２は、検知した左右の車輪１３の角速度を、それぞれ演算部１１３に出力する。典型的には、旋回検知部１１２は、動力部１１５に用いられているモーターの回転角を検知し、演算部１１３で演算を行うことにより、旋回状態を検知する。

演算部１１３は、例えばＣＰＵ等の演算装置である。演算部１１３は、旋回検知部１１２から入力された車輪１３の角速度の検知量に基づいて、倒立二輪移動体１のヨー方向の旋回角度を算出する。より具体的には、演算部１１３は、車輪１３の角速度の偏差を算出し、算出した車輪１３の角速度の偏差に基づいて車輪１３の角度を算出し、算出した車輪１３の角度に基づいて車輪１３の対地走行距離を算出し、算出した車輪１３の対地走行距離に基づいて倒立二輪移動体１のヨー方向の旋回角度を算出する。また演算部１１３は、算出した倒立二輪移動体１のヨー方向の旋回角度が、所定の閾値を超えている場合に旋回検知フラグをＯＮにする。さらに演算部１１３は、旋回検知フラグがＯＮの場合には、旋回方向が右旋回であるか左旋回であるかを算出し、制御部１１４に算出結果を出力する。

制御部１１４は、姿勢検知部１１１から入力された車体１１の傾き角の情報に基づいて、車輪１３の動作を制御する。また制御部１１４は、旋回検知フラグがＯＮ状態のときに、演算部１１３から旋回方向に関する情報が入力された場合に、旋回を抑制するように車輪１３の動作を制御する。なお典型的には、制御部１１４は、動力部１１５の動作を制御することにより、車輪１３の動作を制御する。

動力部１１５は、車輪１３に動力を与えるモーターである。動力部１１５は、制御部１１４からの制御に応じて、左右の車輪１３のそれぞれを回転させる。

操作部１２は、搭乗者が把持して操作を行うハンドルである。例えば操作部１２は、車体１１の前方部から略垂直方向に連結して設けられている。操作部１２には、旋回角度初期化や、旋回禁止状態の開始を指示するスイッチ等が設けられていても良い。

車輪１３は、倒立二輪移動体１の同軸上に設けられた１対の車輪である。車輪１３は、動力部１１５から与えられた動力により動作する。

次に、倒立二輪移動体１の旋回抑制の手順について説明する。

図３は、倒立二輪移動体１の旋回制御の様子を示す図である。より具体的には、図３は、指示画面方向を向いている倒立二輪移動体１に旋回が発生し、一定の旋回が行われた場合には旋回状態を検知して旋回抑制を行い、旋回抑制を停止するまでの様子を示す。図３の点線は車体の正面方向を示し、一点鎖線は指示画面２の正面方向を示し、実線の矢印は旋回動作を示す。また図３には、旋回検知角度（第１の角度）θ_１と、旋回抑制角度（第２の角度）θ_２を示している。

初期状態では、倒立二輪移動体１は指示画面２に対向しており、旋回が発生していない状態である。この状態を、旋回角θ_ＢＹａｗ＝０とする。

次に、倒立二輪移動体１は、搭乗者の操作により旋回が発生する。ここで倒立二輪移動体１は、旋回角θ_ＢＹａｗがあらかじめ定めた第１の角度θ_１以下であり、搭乗者の姿勢の検知に応じて動作を行う。

次に、倒立二輪移動体１は、旋回を検知する。具体的には、倒立二輪移動体１は、旋回角θ_ＢＹａｗが第１の角度θ_１より大きくなったことを検知する。

次に、倒立二輪移動体１は、旋回の抑制を行う。具体的には、倒立二輪移動体１は、旋回角θ_ＢＹａｗがあらかじめ定めた第２の角度θ_２より大きい状態である場合に、旋回抑制を継続して行う。

次に、倒立二輪移動体１は、旋回抑制を停止する。具体的には、倒立二輪移動体１は、旋回角θ_ＢＹａｗが第２の角度θ_２以下となった場合に、旋回抑制を停止する。

ここで典型的には、旋回検知に用いる第１の角度θ_１と、旋回抑制角度である第２の角度θ_２の関係は、θ_１＞θ_２である。すなわち、倒立二輪移動体１のθ_１以上に旋回が行き過ぎた場合に、所定のθ_２以下の旋回角度となるように旋回抑制の制御が行われる。

図４は、倒立二輪移動体１の旋回抑制制御のフローチャートである。

倒立二輪移動体１は、倒立制御を開始する（ステップＳ１１）。具体的には、倒立二輪移動体１に人が搭乗した状態であり、倒立制御が行われて停止している状態である。

旋回検知部１１２は、旋回角度を初期化する（ステップＳ１２）。言い換えると、旋回検知部１１２は、倒立二輪移動体１が指示画面方向を向いている状態を、旋回角度が０°（基準位置）の状態とする。

倒立二輪移動体１は、旋回禁止状態を開始する（ステップＳ１３）。例えば、搭乗者が操作部１２に設けられたスイッチを操作することで、旋回禁止の状態を開始し、旋回を抑制するよう倒立二輪移動体１に指示する。

倒立二輪移動体１は、旋回検知を開始する（ステップＳ１４）。図５は、旋回検知の詳細なフローを示した図である。なお、初期状態では旋回検知フラグはＯＦＦ状態とする。

旋回検知部１１２の車輪角速度センサは、角速度を取得することにより、センサ値を更新する（ステップＳ２１）。旋回検知部１１２が取得した左右の車輪角速度のセンサ値は、それぞれ

とする。

演算部１１３は、車輪１３の角速度偏差を算出する（ステップＳ２２）。具体的には、演算部１１３は、前回算出した車輪角速度のセンサ値と、今回算出した車輪角速度のセンサ値との差分を用い、左右の車輪の角速度偏差

を算出する。

演算部１１３は、車輪１３の角速度偏差に基づいて、車輪１３の角度を算出する（ステップＳ２３）。具体的には、演算部１１３は、ステップＳ２２で求めた車輪の角速度偏差について、それぞれ積分することにより、

を算出する。

演算部１１３は、車輪１３の対地走行距離を算出する（ステップＳ２４）。具体的には演算部１１３は、左右の車輪１３の対地走行距離を、ステップＳ２３で算出した角速度偏差を用いて、それぞれ

により算出する。なお、αは車輪対地走行距離定数であり、あらかじめ定めておく。

演算部１１３は、旋回角度を算出する（ステップＳ２５）。具体的には、演算部１１３は、旋回角度を、ステップＳ２４で算出した差湯の車輪１３の対地走行距離を用い、

により算出する。ここでＬ_wdistは、車輪幅である。

演算部１１３は、現在の旋回角が第１の角度θ_１より大きいか否かを判定する。言い換えると、演算部１１３は、ステップＳ２５で算出した旋回角度の絶対値｜θ_BYaw(t)｜が、第１の角度θ_１より大きいか否かを判定する（ステップＳ２６）。旋回角度の絶対値｜θ_BYaw(t)｜が、θ_１より大きければ（ステップＳ２６でＹｅｓ）、ステップＳ２７に進む。旋回角度の絶対値｜θ_BYaw(t)｜がθ_１以下であれば（ステップＳ２６でＮｏ）、ステップＳ１５に進む。

倒立二輪移動体１は、旋回検知フラグをＯＮにする（ステップＳ２７）。すなわち、車体１１が所定の角度以上旋回していることを検知した場合に、旋回検知フラグをＯＮにする。その後、ステップＳ１５に進む。

倒立二輪移動体１は、旋回抑制制御を行う（ステップＳ１５）。ここで図６は、旋回抑制の詳細なフローを示した図である。

演算部１１３は、旋回検知フラグがＯＮであるか否かを判定する（ステップＳ３１）。旋回検知フラグがＯＮであれば（ステップＳ３１でＹｅｓ）、ステップＳ３２に進む。旋回フラグがＯＦＦであれば（ステップＳ３１でＮｏ）、ステップＳ１６に進む。

制御部１１４は、旋回角度θ_BYaw(t)に応じて、倒立二輪移動体１が旋回する方向を指示する（ステップＳ３２）。より具体的には、制御部１１４は、旋回角度θ_BYaw(t)が０より小さければ、倒立二輪移動体１が左方向に旋回しているものとして、右方向に旋回するよう制御を行う。同様にして、制御部１１４は、旋回角度θ_BYaw(t)が０より大きければ、倒立二輪移動体１が右方向に旋回しているものとして、左方向に旋回するよう制御を行う。

演算部１１３は、旋回角度の絶対値｜θ_BYaw(t)｜と、第２の角度θ_２を比較する（ステップＳ３３）。旋回角度の絶対値｜θ_BYaw(t)｜が第２の角度θ_２より大きければ（ステップＳ３３でＹｅｓ）、ステップＳ６に進む。旋回角度の絶対値｜θ_BYaw(t)｜が第２の角度θ_２以下であれば（ステップＳ３３でＮｏ）、ステップＳ３４に進む。

倒立二輪移動体１は、旋回検知フラグをＯＦＦにする（ステップＳ３４）。すなわち、車体１１の旋回角度が所定の値以下であれば、旋回の抑制は不必要な状態になったものとする。その後、ステップＳ１６に進む。

演算部１１３は、倒立二輪移動体１が倒立制御を完了したか否かを判定する（ステップＳ１６）。倒立制御が完了していれば（ステップＳ１６でＹｅｓ）、処理を終了する。倒立制御が完了していなければ（ステップＳ１６でＮｏ）、ステップＳ１３に戻り、処理を繰り返し行う。

これにより、倒立二輪移動体が旋回ずれを発生している場合に、一定量の旋回ずれを検知し、倒立二輪移動体の位置制御を行うことができる。したがって、搭乗者の意に反して倒立二輪移動体が旋回するのを抑制することができる。また、旋回のずれによる中断が行われずに、倒立二輪移動体の前方方向に指示画面がある状態を維持できるため、長時間の継続的なトレーニングを実施できる。

なお、旋回方向の位置制御は、搭乗者の重心を平衡点で安定化させる倒立二輪制御にとっては外乱として働くため、常に加わり続けるのは好ましくない。したがって、倒立二輪制御に必要なトルクが小さく、前後移動量が小さい、トレーニング目的などの外乱が許容される状況下でのみ旋回抑制制御を行うのが望ましい。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１倒立二輪移動体
２指示画面
１１車体
１２操作部
１３車輪
１１１姿勢検知部
１１２旋回検知部
１１３演算部
１１４制御部
１１５動力部

Claims

搭乗者の姿勢に応じて走行状態が変化する倒立二輪移動体であって、
人が搭乗する車体と、
前記車体の左右の同軸上に設けられた一対の車輪と、
前記車体の前方部に連結して設けられた操作部と、
前記車体が所定の方向を向いた状態を基準位置とし、基準位置から所定の第１の角度の旋回を検知する旋回検知部と、
旋回禁止状態であって外乱が許容される状況下で、前記旋回検知部により車体の第１の角度の旋回を検知した場合に、旋回を抑制する方向に車体の方向を変更し、旋回角度が所定の第２の角度より小さくなるよう、車輪の動作を制御する制御部と、を備える、
倒立二輪移動体。