JP6217592B2 - 倒立型移動体、その制御方法及び制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、倒立状態を維持して走行する倒立型移動体、その制御方法及び制御プログラムに関するものである。

倒立型移動体に搭乗してバランス訓練を行い、搭乗者の訓練改善度に応じて、倒立制御の制御ゲインを変更する訓練装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−２０３５４９号公報

ところで、例えば、片麻痺患者などの左右不均等なバランスの搭乗者は、いずれかの方向に重心が偏る傾向がある。したがって、そのような搭乗者が上記倒立型移動体に搭乗した場合、訓練改善度に応じて全体的に制御ゲインを変更しただけでは調整が不十分であり、上記のような搭乗者の身体的特徴を考慮する必要がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、搭乗者の身体的特徴を考慮して制御ゲインの調整を行うことができる倒立型移動体、その制御方法及び制御プログラムを提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、搭乗者が搭乗する台車部と、前記台車部に設けられ搭乗者が操作を行う操作ハンドルと、前記操作ハンドルの傾斜角または前記台車部に掛かる荷重を検出する操作検出手段と、前記台車部に設けれた車輪を駆動する駆動手段と、前記操作検出手段により検出された傾斜角又は荷重と、制御ゲインと、に基づいて、前記駆動手段を制御して倒立制御及び／又は旋回制御を行なう制御手段と、を備える倒立型移動体であって、当該倒立型移動体の走行方向に応じて異なる値の前記制御ゲインを設定する設定手段を備える、ことを特徴とする倒立型移動体である。
この一態様において、前記搭乗者の身体的情報を取得する情報取得手段を備え、前記設定手段は、前記情報取得手段により取得された搭乗者の身体的情報に基づいて、前記操作ハンドルの傾斜角または台車部の荷重と前記駆動手段に対する指令値との関係を示すマップ情報を設定することで、前記倒立制御及び／又は旋回制御を行なうための前記制御ゲインを設定してもよい。
この一態様において、前記設定手段は、前記情報取得手段により取得された搭乗者の身体的情報に基づいて、前記操作ハンドルのロール方向の傾斜角または台車部の荷重と前記駆動手段に対する旋回速度指令値との関係を示す旋回制御のマップ情報を設定し、前記情報取得手段により取得された搭乗者の身体的情報に基づいて、前記操作ハンドルのピッチ方向の傾斜角または台車部の荷重と前記駆動手段に対する姿勢速度指令値との関係を示す倒立制御のマップ情報を設定し、前記制御手段は、前記操作検出手段により検出された操作ハンドルのロール方向の傾斜角または台車部の荷重と、前記設定手段により設定された旋回制御のマップ情報と、に基づいて前記旋回速度指令値を算出し、前記操作検出手段により検出された操作ハンドルのピッチ方向の傾斜角または台車部の荷重と、前記設定手段により設定された倒立制御のマップ情報と、に基づいて前記姿勢速度指令値を算出し、 前記算出した旋回速度指令値と姿勢速度指令値とに基づいて、前記駆動手段を制御してもよい。
この一態様において、前記マップ情報には、前後方向又は左右方向に対するバランスの中心点が設定されており、前記設定手段は、前記情報取得手段により取得された搭乗者の身体的情報に基づいて、前記マップ情報のバランスの中心点をシフトしてもよい。
この一態様において、前記設定手段は、前記情報取得手段により取得された搭乗者の身体的情報に基づいて、搭乗者の重心位置がシフトしている方向に前記マップ情報のバランスの中心点をシフトしてもよい。
この一態様において、前記設定手段は、前記情報取得手段により取得された搭乗者の身体的情報に基づいて、前記マップ情報における前記操作ハンドルのロール方向の傾斜角または台車部の荷重に対する前記指令値の傾きを変更してもよい。
この一態様において、前記設定手段は、前記情報取得手段により取得された搭乗者の身体的情報に基づいて、搭乗者の身体的不具合が生じている側の、前記マップ情報の前記操作ハンドルのロール方向の傾斜角または台車部の荷重に対する前記指令値の傾きを、正常な側の前記指令値の傾きより小さく設定してもよい。
この一態様において、前記マップ情報には、操作ハンドルの傾斜角または台車部の荷重が変化しても前記指令値が変化しない不感帯が設定されており、前記設定手段は、前記情報取得手段により取得された搭乗者の身体的情報に基づいて、前記マップ情報の不感帯幅を変更してもよい。
この一態様において、前記マップ情報には、前後方向又は左右方向に対するバランスの中心点が設定されており、前記設定手段は、前記情報取得手段により取得された搭乗者の身体的情報に基づいて、前記マップ情報の不感帯において、前記バランスの中心点を中心とした一方側の不感帯幅と他方側の不感帯幅との比率を変えてもよい。
この一態様において、前記設定手段は、前記情報取得手段により取得された搭乗者の身体的情報に基づいて、前記マップ情報の不感帯において、搭乗者の身体的不具合が生じている側の不感帯幅を正常な側の不感帯幅より狭く設定してもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、搭乗者が搭乗する台車部と、前記台車部に設けられ搭乗者が操作を行う操作ハンドルと、前記台車部に設けれた車輪を駆動する駆動手段と、備える倒立型移動体の制御方法であって、前記操作ハンドルの傾斜角または前記台車部に掛かる荷重を検出するステップと、当該倒立型移動体の走行方向に応じて異なる値の制御ゲインを設定するステップと、前記検出された傾斜角又は荷重と、前記設定された制御ゲインと、に基づいて、前記駆動手段を制御して倒立制御及び／又は旋回制御を行なうステップと、を含む、ことを特徴とする倒立型移動体の制御方法であってもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、搭乗者が搭乗する台車部と、前記台車部に設けられ搭乗者が操作を行う操作ハンドルと、前記台車部に設けれた車輪を駆動する駆動手段と、備える倒立型移動体の制御プログラムであって、当該倒立型移動体の走行方向に応じて異なる値の制御ゲインを設定する処理と、検出された前記操作ハンドルの傾斜角又は前記台車部に掛かる荷重と、前記設定された制御ゲインと、に基づいて、前記駆動手段を制御して倒立制御及び／又は旋回制御を行なう処理と、をコンピュータに実行させる、ことを特徴とする倒立型移動体の制御プログラムであってもよい。

本発明によれば、搭乗者の身体的特徴を考慮して制御ゲインの調整を行うことができる倒立型移動体、その制御方法及び制御プログラムを提供することができる。

本発明の実施形態１に係る倒立型移動体の概略的な構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態１に係る倒立型移動体の概略的なシステム構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態１に係る制御装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。 操作ハンドルの傾斜角度と旋回角速度指令値との関係を示すマップ情報の一例を示す図である。 本発明の実施形態１に係る倒立型移動体の制御方法を示すフローチャートである。 バランス中心点を中心として左側および右側に同一幅の不感帯が設定されたマップ情報の一例を示す図である。 配列点０〜９で設定されたマップ情報の一例を示す図である。 バランス中心点を中心として左側および右側に異なる幅の不感帯が設定されたマップ情報の一例を示す図である。

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、本発明の実施形態１に係る倒立型移動体の概略的な構成を示す斜視図である。図２は、本実施形態１に係る倒立型移動体の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施形態１に係る倒立型移動体１は、搭乗者の重心移動に応じて倒立状態を維持しつつ所望の走行を行う、例えば、倒立二輪車として構成されている。

倒立型移動体１は、搭乗者が操作する操作ハンドル２と、操作ハンドル２に連結され搭乗者が乗る台車部３と、台車部３の両側に回転可能に設けられた左右一対の駆動車輪４と、を備えている。倒立型移動体１は、搭乗者の重心移動による操作ハンドル２及び台車部３の傾斜に応じて、各駆動車輪４を回転させて、前後進、左右旋回、加減速、停止などの所望の走行を行うことができる。台車部３は、例えば、搭乗者が乗り左右方向の重心移動を行うと、その重心移動に応じて左右方向に傾斜するように構成されている。

例えば、搭乗者はその重心を前後方に移動させ、操作ハンドル２及び台車部３を前後傾させることで、倒立型移動体１を前後進させることができる。搭乗者はその重心を左右方に移動させ、操作ハンドル２及び台車部３を左右方向に傾斜させることで倒立型移動体１を左右旋回させることができる。

図２に示すように、本実施の形態１に係る倒立型移動体１は、姿勢センサ５と、左右一対の回転センサ６と、左右一対の車輪駆動ユニット７と、制御装置８と、を備えている。

姿勢センサ５は、操作検出手段の一具体例であり、操作ハンドル２及び台車部３のピッチ角度、ピッチ角速度、ピッチ角加速度、ロール角度、ロール角速度、ロール角加速度等の姿勢情報を検出する。姿勢センサ５は、例えば、搭乗者が重心を前後へ移動させることで生じた操作ハンドル２及び台車部３のピッチ角度（傾斜角度）を検出することができる。姿勢センサ５は、搭乗者が重心を左右へ移動させることで生じた操作ハンドル２及び台車部３のロール角度（傾斜角度）を検出することができる。

姿勢センサ５は、制御装置８に接続されており、検出した操作ハンドル２及び台車部３の姿勢情報を制御装置８に対して出力する。なお、姿勢センサ５は、例えば、ジャイロセンサや加速度センサなどにより構成されている。なお、ピッチ軸とは、一対の駆動車輪４の車軸に相当する軸である。ロール軸とは、台車部３の中心を通り、倒立型移動体１の走行方向と平行をなす軸である。

一対の回転センサ６は、各駆動車輪４の回転角度、回転速度、回転加速度等の回転情報を夫々検出する。各回転センサ６は、制御装置８に接続されており、検出した各駆動車輪４の回転情報を制御装置８に対して出力する。

一対の車輪駆動ユニット７は、駆動手段の一具体例であり、各駆動車輪４を駆動することで、倒立型移動体１を走行させる。各車輪駆動ユニット７は、例えば、電動モータと、その電動モータの回転軸に動力伝達可能に連結された減速ギア列等によって構成することができる。各車輪駆動ユニット７は、駆動回路１０を介して制御装置８に接続されている。各駆動回路１０は、制御装置８から出力される指令値に応じて、各車輪駆動ユニット７に駆動信号を出力する。

制御装置８は、例えば、制御処理、演算処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）８ａ、ＣＰＵ８ａによって実行される制御プログラム、演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）８ｂ、処理データ等を一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）８ｃ、等からなるマイクロコンピュータを中心にしてハードウェア構成されている。

制御装置８は、倒立型移動体１が、例えば、倒立状態を維持する倒立制御を行いつつ、所望の走行（前進、後進、加速、減速、停止、左旋回、右旋回等）を行うように、各車輪駆動ユニット７を制御する。また、制御装置８は、姿勢センサ５により検出された操作ハンドル２及び台車部３の姿勢情報と、各回転センサ６により検出された各駆動車輪４の回転情報と、に基づいて、フィードバック制御、ロバスト制御等の周知の制御を行う。

例えば、制御装置８は、搭乗者が重心を前後に移動させたときに、姿勢センサ５により検出された操作ハンドル２及び台車部３のピッチ角度に応じて、各車輪駆動ユニット７を制御することで、倒立型移動体１を倒立状態で前進又は後進させる。また、制御装置８は、搭乗者が重心を左右に移動させたときに、姿勢センサ５により検出された操作ハンドル及び台車部のロール角度に応じて、各車輪駆動ユニット７を制御することで、倒立型移動体１を左旋回又は右旋回させる。

制御装置８は、例えば、姿勢センサ５により検出された操作ハンドル２及び台車部３のピッチ角度（傾斜角度）に、倒立制御における各車輪駆動ユニット７の駆動トルクを決める倒立制御ゲインを乗算して、各駆動車輪４の回転トルク指令値を算出する。制御装置８は、算出した回転トルク指令値に応じた回転トルクが各駆動車輪４に生じるように、各車輪駆動ユニット７を制御する。

これにより、制御装置８は、操作ハンドル２及び台車部３が傾斜している方向へ各駆動車輪４を回動させ、倒立型移動体１の重心位置を各駆動車輪４の車軸を通る鉛直線上へ戻すような倒立制御を行う。さらに、制御装置８は、各駆動車輪４に対して適切な回転トルクを夫々付加することで、操作ハンドル２及び台車部３のピッチ角度がある一定値を超えないような倒立状態を維持しつつ、さらに、姿勢センサ５からの姿勢情報に応じて、前進、後進、停止、減速、加速等の倒立型移動体１の移動制御を行う。
なお、倒立型移動体１は、倒立二輪車として構成されているが、これに限定されない。倒立型移動体１は、例えば、倒立一輪車として構成されてもよく、任意の倒立型車両として構成できる。

上述のような車両制御の構成により、倒立型移動体１は、例えば、搭乗者が重心を前後に移動させ台車部３及び操作ハンドル２を前後に傾斜させることで前進後退を行い、搭乗者が重心を左右に移動させ操作ハンドル２及び台車部を左右に傾斜させることで、左右旋回を行うことができる。このように、搭乗者は、台車部３に搭乗し、重心移動による走行操作を行うことで、リハビリテーションやゲームなどのバランス訓練を行うことができる。

ところで、例えば、左右不均等なバランスの搭乗者は、いずれかの方向に重心が偏る傾向がある。特に、片麻痺患者などの極端に左右でバランスが異なる場合、左右の不均等により、重心が左右何れかの側に偏り、意図しない旋回を生んでしまう。例えば、片麻痺患者の特徴として、左麻痺の患者の場合（身体左側が麻痺、身体右側が健常）、健常脚の右側に重心があり、この患者は左の麻痺側に重心を移動させるのが困難となる。バランス訓練当初、患者の健常脚側に重心が偏るため、この健常脚の右側への意図しない旋回が度々発生することとなる。この場合、バランス訓練を中断し、介助者が旋回ずれを修正するなどの問題が発生する。したがって、左右不均等なバランスの搭乗者に対しては、その身体的特徴を考慮して倒立型移動体の制御を調整する必要が生じる。

これに対し、本実施形態１に係る倒立型移動体１は、その走行方向に応じて異なる値の制御ゲインを設定する。倒立型移動体１は、搭乗者の身体的特徴（重心の偏りなど）によって生じる走行方向のずれを考慮して制御ゲインを設定することができる。したがって、搭乗者の身体的特徴を考慮した制御ゲインの調整を行うことができる。

図３は本実施形態１に係る制御装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施形態に係る制御装置８は、情報取得部８１と、ゲイン設定部８２と、倒立制御部８３と、旋回制御部８４と、減算器８５と、加算器８６と、を有している。

情報取得部８１は、例えば、ＰＣ（PersonalComputer）、スマートフォン、タブレット端末などの入力装置などを介して、搭乗者の身体的情報（左側身体的不具合（左片麻痺など）、右側身体的不具合（右片麻痺など）、身体的不具合の重度、訓練度合（訓練レベル）等）を取得する。情報取得部８１は、情報取得手段の一具体例である。情報取得部８１は、取得した搭乗者の身体的情報をゲイン設定部８２に出力する。

ゲイン設定部８２は、倒立制御部８３の倒立制御ゲイン及び旋回制御部８４の旋回制御ゲインを設定する。ゲイン設定部８２は、設定手段の一具体例である。ゲイン設定部８２は、例えば、情報取得部８１から出力される搭乗者の身体的情報と、予め設定されたマップ情報と、に基づいて、制御ゲインを設定する。

マップ情報は、例えば、図４に示すように、操作ハンドル２の傾斜（ロール）角度と旋回角速度指令値との関係を示す情報である。マップ情報は、例えば、ＲＯＭ８ｂやＲＡＭ８ｃに予め記憶されている。マップ情報には、倒立型移動体１の重心位置であり、前後方向又は左右方向に対するバランスの中心点（以下、バランス中心点と称す）（１）が設定されている。

ゲイン設定部８２は、情報取得部８１から出力された搭乗者の身体的情報に基づいて、マップ情報のバランス中心点（１）をシフトしてもよい。これにより、搭乗者の身体的特徴による重心位置の偏りを修正できる。

ゲイン設定部８２は、情報取得部８１から出力される搭乗者の身体的情報に基づいて、搭乗者に左片麻痺がある（搭乗者の重心位置が右側に偏っている）と判断したとき、マップ情報において、バランス中心点（１）を右側にシフトして設定してもよい。一方、ゲイン設定部８２は、情報取得部８１から出力される搭乗者の身体的情報に基づいて、搭乗者に右片麻痺がある（搭乗者の重心位置が左側に偏っている）と判断したとき、マップ情報において、バランス中心点（１）を左側にシフトして設定してもよい。

このように、ゲイン設定部８２は、情報取得部８１から出力された搭乗者の身体的情報に基づいて、搭乗者の重心位置がシフトしている方向にマップ情報のバランス中心点（１）をシフトする。これにより、搭乗者の重心位置がシフトしている側への偏りを修正でき、このシフトしている側への意図しない旋回を抑制できる。

ゲイン設定部８２は、情報取得部８１から出力される搭乗者の身体的情報に基づいて、搭乗者に片麻痺の重度あるいは訓練度合に応じて、マップ情報において、バランス中心点（１）のシフト量を調整してもよい。ゲイン設定部８２は、例えば、搭乗者に片麻痺の重度が高くなるに従がって、マップ情報において、バランス中心点（１）を大きくシフトしてもよい。これにより、例えば、片麻痺患者に対して健常脚側から段階的に麻痺脚側に搭乗者の重心を移動させる訓練を行うことができ、訓練効率を高めることができる。

また、ゲイン設定部８２は、情報取得部８１から出力される搭乗者の身体的情報に基づいて、搭乗者に左片麻痺があると判断したとき、マップ情報において、右側の旋回制御ゲイン（２）を通常の値（操作ハンドル２の傾斜角度に対する旋回角速度指令値の傾き）で設定し、左側の旋回制御ゲイン（３）を低く（傾きを小さく）設定してもよい。一方、ゲイン設定部８２は、情報取得部８１から出力される搭乗者の身体的情報に基づいて、搭乗者に右片麻痺があると判断したとき、マップ情報において、左側の旋回制御ゲイン（３）を通常の値（傾き）で設定し、右側の旋回制御ゲイン（２）を低く（傾きを小さく）設定してもよい。

このように、ゲイン設定部８２は、情報取得部８１から出力された搭乗者の身体的情報に基づいて、搭乗者の身体的不具合が生じている側の、マップ情報の操作ハンドル２の傾斜角度に対する旋回角速度指令値の傾きを、正常な側の旋回角速度指令値の傾きより小さく設定する。これにより、搭乗者が身体的不具合の生じている側（例えば、麻痺脚側）へ旋回するときの重心移動による操作感度を最適に調整できる。

ゲイン設定部８２は、情報取得部８１から出力される搭乗者の身体的情報に基づいて、搭乗者の片麻痺の重度あるいは訓練度合に応じて、マップ情報において、麻痺脚側の旋回制御ゲインの大きさを調整してもよい。ゲイン設定部８２は、例えば、搭乗者に片麻痺の重度が高くなるに従がって、マップ情報において、麻痺脚側の旋回制御ゲインを低く（傾きを小さく）設定してもよい。

これにより、倒立型移動体１は、健脚側へ旋回するとき通常の旋回速度で旋回し、逆に麻痺脚側へ旋回するとき低い旋回速度で旋回することができる。このように、麻痺脚側の状態に応じて旋回制御ゲインを設定し、旋回速度を適切に調整できる。例えば、麻痺脚側の訓練の度合に合わせて低い旋回制御ゲインから段階的に増加させるような調整が可能となるため、より効果的な訓練が可能となる。

なお、ゲイン設定部８２が旋回制御ゲインを設定する一例を説明したが、倒立制御ゲインについても上記旋回制御ゲインと同様に設定してもよい。これにより、搭乗者の重心が前後方向に偏り、この偏った前後方向への意図しない動作を抑制できる。

例えば、ゲイン設定部８２は、情報取得部８１から出力される搭乗者の身体的情報に基づいて、搭乗者の身体不具合などにより前方側に重心が偏っていると判断したとき、マップ情報において、バランス中心点を前方側にシフトして設定してもよい。一方、ゲイン設定部８２は、情報取得部８１から出力される搭乗者の身体的情報に基づいて、搭乗者の身体不具合などにより後方側に重心が偏っていると判断したとき、マップ情報において、バランス中心点を後方側にシフトして設定してもよい。

ゲイン設定部８２は、情報取得部８１から出力される搭乗者の身体的情報に基づいて、搭乗者に不具合などの重度あるいは訓練度合に応じて、マップ情報において、バランス中心点のシフト量を調整してもよい。ゲイン設定部８２は、例えば、搭乗者に不具合の重度が高くなるに従がって、マップ情報において、バランス中心点を大きくシフトしてもよい。

また、ゲイン設定部８２は、情報取得部８１から出力される搭乗者の身体的情報に基づいて、マップ情報において、前方側の倒立制御ゲインを通常の値（傾き）で設定し、後方側の倒立制御ゲインを低く（傾きを小さく）設定してもよい。ゲイン設定部８２は、情報取得部８１から出力される搭乗者の身体的情報に基づいて、マップ情報において、後方側の倒立制御ゲインを通常の値（傾き）で設定し、前方側の倒立制御ゲインを低く（傾きを小さく）設定してもよい。

ゲイン設定部８２は、情報取得部８１から出力される搭乗者の身体的情報に基づいて、搭乗者の片麻痺の重度あるいは訓練度合に応じて、マップ情報において、倒立制御ゲインの大きさを調整してもよい。ゲイン設定部８２は、例えば、搭乗者に片麻痺の重度が高くなるに従がって、マップ情報において、前方側及び／又は後方側の倒立制御ゲインを低く（傾きを小さく）設定してもよい。

なお、ユーザがゲイン設定部８２により設定されたマップ情報を入力装置などを介して任意に設定変更できるように、制御装置８が構成されていてもよい。これにより、マップ情報の微調整を行うことができる。

以上のようにして、単純に倒立制御ゲイン及び旋回制御ゲインを比例ゲインとするのではなく、前後左右のバランス不均等な搭乗者に対して、その身体的特徴を考慮して、倒立制御ゲイン及び旋回制御ゲインの高低をより緻密に設定できる。

また、走行操作の基準となるバランス中心点を単に台車部３の中心点に設定するのではなく、実際の搭乗者の重心位置に合わせて偏心させることで、その身体的特徴を考慮した最適な走行操作が可能となる。

ゲイン設定部８２は、上述のように設定した倒立制御ゲイン及び旋回制御ゲインのマップ情報を、倒立制御部８３および旋回制御部８４に夫々出力する。

倒立制御部８３は、姿勢センサ５から出力される操作ハンドル２及び台車部３のピッチ角速度と、ゲイン設定部８２から出力される倒立制御ゲインのマップ情報と、に基づいて、姿勢速度指令値Ｖｐを算出する。倒立制御部８３は、算出した姿勢速度指令値Ｖｐを減算器８５及び加算器８６に出力する。倒立制御部８３及び旋回制御部８４は、制御手段の一具体例である。

旋回制御部８４は、姿勢センサ５から出力される操作ハンドル２及び台車部のロール角度と、ゲイン設定部８２から出力される旋回制御ゲインのマップ情報と、に基づいて、旋回角速度指令値Ｖｒを算出する。旋回制御部８４は、算出した旋回角速度指令値Ｖｒを減算器８５及び加算器８６に出力する。

減算器８５は、倒立制御部８３から出力された姿勢速度指令値Ｖｐから、旋回制御部８４から出力された旋回速度指令値Ｖｒを、減算し、左車輪速度指令値ＶＬを算出する。加算器８６は、倒立制御部８３から出力された姿勢速度指令値Ｖｐと、旋回制御部８４から出力された旋回速度指令値Ｖｒと、を加算し、右車輪速度指令値ＶＲを算出する。

減算器８５は、算出した左車輪速度指令値ＶＬを駆動回路１０を介して左車輪駆動ユニット７に出力することで、左車輪駆動ユニット７の駆動を制御する。加算器８６は、算出した右車輪速度指令値ＶＲを駆動回路１０を介して右車輪駆動ユニット７に出力することで、右車輪駆動ユニット７の駆動を制御する。これにより、各車輪駆動ユニット７は、左右駆動車輪４に回転差を生じさせる。倒立型移動体１は、所望の車速度及び旋回方向で旋回走行を行う。

図５は、本実施形態１に係る倒立型移動体の制御方法を示すフローチャートである。
制御装置８の情報取得部８１は、入力装置を介して、搭乗者の身体的情報を取得する（ステップＳ１０１）。情報取得部８１は、取得した搭乗者の身体的情報をゲイン設定部８２に出力する。

ゲイン設定部８２は、情報取得部８１から出力される搭乗者の身体的情報と、予め設定されたマップ情報と、に基づいて、倒立制御ゲイン及び旋回制御ゲインのマップ情報を設定する（ステップＳ１０２）。ゲイン設定部８２は、設定した倒立制御ゲインのマップ情報を倒立制御部８３に出力する。ゲイン設定部８２は、設定した旋回制御ゲインのマップ情報を旋回制御部８４に出力する。

倒立制御部８３は、姿勢センサ５から出力される操作ハンドル２及び台車部３のピッチ角速度と、ゲイン設定部８２から出力される倒立制御ゲインのマップ情報と、に基づいて、姿勢速度指令値Ｖｐを算出する（ステップＳ１０３）。旋回制御部８４は、姿勢センサ５から出力される操作ハンドル２及び台車部３のロール角度と、ゲイン設定部８２から出力される旋回制御ゲインのマップ情報と、に基づいて、旋回角速度指令値Ｖｒを算出する（ステップＳ１０４）。

制御装置８は、倒立制御部８３により算出された姿勢速度指令値Ｖｐと、旋回制御部８４により算出された旋回速度指令値Ｖｒと、に基づいて左右車輪速度指令値ＶＬ、ＶＲを算出する（ステップＳ１０５）。

以上、本実施形態１に係る倒立型移動体１は、その走行方向に応じて異なる値の制御ゲインを設定する。これにより、搭乗者の身体的特徴によって生じる走行方向のずれを考慮して制御ゲインを設定することができる。

実施形態２
本発明の実施形態２において、マップ情報には、操作ハンドル２の傾斜角度が変化しても旋回角速度指令値が変化しない（実質的に０となる）不感帯が設定されていてもよい。 例えば、図６に示す如く、マップ情報において、バランス中心点（１）を中心として、左側および右側に同一幅の不感帯（４）が設定されている。

マップ情報は、例えば、図７に示す如く、２次元座標系における１０点の配列点０〜９で設定されている。各配列点間の旋回角速度指令値は、各配列点間の１次補完により算出される。配列０以下の傾斜角度については、配列０の旋回角速度指令値が用いられる。配列９以上の傾斜角度については、配列９の旋回角速度指令値が用いられる。なお、上記配列点の数及び位置は一例であり、これに限定されない。

ゲイン設定部８２は、情報取得部８１から出力される搭乗者の身体的情報に基づいて、マップ情報において、不感帯幅（４）を調整してもよい。これにより、搭乗者の身体的特徴に応じた最適な不感帯幅を設定できる。

ゲイン設定部８２は、情報取得部８１から出力された搭乗者の身体的情報に基づいて、マップ情報の不感帯（４）において、バランス中心点（１）を中心とした一方側の不感帯幅と他方側の不感帯幅との比率を変えてもよい。これにより、搭乗者の前後左右側の身体的特徴を考慮して不感帯幅を適切に設定できる。例えば、ゲイン設定部８２は、図８に示す如く、マップ情報において、バランス中心点（１）を中心として、左側の不感帯幅を右側の不感帯幅より狭く設定してもよい。

より具体的には、左麻痺の搭乗者の場合、健常脚の右側に重心があり、この搭乗者は左の麻痺側に重心を移動させるのが困難となる。したがって、ゲイン設定部８２は、情報取得部８１から出力される搭乗者の身体的情報に基づいて、搭乗者に左片麻痺があると判断したとき、マップ情報において、左側の不感帯幅を右側の不感帯幅よりも狭く設定してもよい。これにより、搭乗者が重心移動の困難な左側へ重心移動したときの操作感度を通常の右側への重心移動したときの操作感度よりも上げることができる。したがって、搭乗者は左麻痺側に重心を移動させ容易に旋回させるのができる。

一方、右麻痺の搭乗者の場合、健常脚の左側に重心があり、この搭乗者は右麻痺側に重心を移動させるのが困難となる。したがって、ゲイン設定部８２は、情報取得部８１から出力される搭乗者の身体的情報に基づいて、搭乗者に右片麻痺があると判断したとき、マップ情報において、右側の不感帯幅を左側の不感帯幅よりも狭く設定してもよい。

このように、ゲイン設定部８２は、情報取得部８１から出力された搭乗者の身体的情報に基づいて、マップ情報の不感帯（４）において、搭乗者の身体的不具合が生じている側の不感帯幅を正常な側の不感帯幅より狭く設定する。これにより、搭乗者が重心移動の困難な右側へ重心移動したときの操作感度を通常の左側への重心移動したときの操作感度よりも上げることができる。したがって、搭乗者は身体的不具合がある右麻痺側に重心を移動させ、容易に旋回できる。

さらに、ゲイン設定部８２は、情報取得部８１から出力される搭乗者の身体的情報に基づいて、搭乗者に片麻痺の重度あるいは訓練度合に応じて、マップ情報において、不感帯幅の左右幅の比率を調整してもよい。ゲイン設定部８２は、例えば、搭乗者に片麻痺の重度が高くなるに従がって、マップ情報において、片麻痺側の不感帯幅を大きく設定してもよい。ゲイン設定部８２は、情報取得部８１から出力される搭乗者の身体的情報に基づいて、搭乗者に片麻痺の重度あるいは訓練度合に応じて、マップ情報において、不感帯全体幅を調整してもよい。

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。

上記実施形態において、情報取得部８１及びゲイン設定部８２は、制御装置８に組み込まれる構成であるがこれに限定されない。情報取得部８１及びゲイン設定部８２は、制御装置８とは別の外部装置に組み込まれていてもよい。外部装置は、上記設定したマップ情報を有線あるいは無線を介して制御装置８に送信してもよい。

上記実施形態において、マップ情報は、台車部３の右側及び左側に掛かる荷重と旋回角速度指令値との関係を示す情報であってもよい。例えば、台車部３には、搭乗者の重心移動による台車部３への荷重を検出する荷重センサ（操作検出手段の一具体例）が設けられている。ゲイン設定部８２は、情報取得部８１から出力される搭乗者の身体的情報に基づいて、倒立制御ゲインおよび旋回制御ゲインのマップ情報を設定する。

倒立制御部８３は、荷重センサから出力される台車部３の荷重と、ゲイン設定部８２から出力される倒立制御ゲインのマップ情報と、に基づいて、姿勢速度指令値Ｖｐを算出する。旋回制御部８４は、荷重センサから出力される台車部３の荷重と、ゲイン設定部８２から出力される旋回制御ゲインのマップ情報と、に基づいて、旋回角速度指令値Ｖｒを算出する。制御装置８は、倒立制御部８３により算出された姿勢速度指令値Ｖｐと、旋回制御部８４により算出された旋回速度指令値Ｖｒと、に基づいて左右車輪速度指令値ＶＬ、ＶＲを算出する。

上記実施形態において、ゲイン設定部８２は、倒立制御ゲイン及び旋回制御ゲインのマップ情報を設定しているが、これに限定されない。ゲイン設定部８２は、倒立制御ゲイン及び旋回制御ゲインのマップ情報のうちいずれか一方のみを設定してもよい。

上記実施形態において、情報取得部８１は、入力装置などを介して、搭乗者の身体的情報を取得しているがこれに限定されない。例えば、搭乗者の身体的情報は、予めＲＯＭ８ｂやＲＡＭ８ｃに記憶されていてもよい。情報取得部８１は、搭乗者の身体的情報を、ＲＯＭ８ｂやＲＡＭ８ｃから取得してもよい。

本発明は、例えば、図５に示す処理を、ＣＰＵ８ａにコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。

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。

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。

１ 倒立型移動体、２ 操作ハンドル、３ 台車部、４ 駆動車輪、５ 姿勢センサ、６ 回転センサ、７ 車輪駆動ユニット、８ 制御装置、８１ 情報取得部、８２ ゲイン設定部、８３ 倒立制御部、８４ 旋回制御部、８５ 減算器、８６ 加算器

Claims (12)

1. 搭乗者が搭乗する台車部と、
   前記台車部に設けられ搭乗者が操作を行う操作ハンドルと、
   前記操作ハンドルの傾斜角または前記台車部に掛かる荷重を検出する操作検出手段と、
   前記台車部に設けれた車輪を駆動する駆動手段と、
   前記操作検出手段により検出された傾斜角又は荷重と、制御ゲインと、に基づいて、前記駆動手段を制御して倒立制御及び／又は旋回制御を行なう制御手段と、を備える倒立型移動体であって、
   当該倒立型移動体の走行方向に応じて異なる値の前記制御ゲインが設定されており、
   搭乗者の身体的情報に基づいて、前記操作ハンドルの傾斜角または台車部の荷重と前記駆動手段に対する指令値との関係を示すマップ情報が設定されており、
   前記マップ情報には、左右方向に対するバランスの中心点が設定されており、
   前記搭乗者の身体的情報に基づいて、前記マップ情報のバランスの中心点はシフトしている、
   ことを特徴とする倒立型移動体。
2. 請求項１記載の倒立型移動体であって、
   前記倒立型移動体の走行方向に応じて異なる値の前記制御ゲインを設定する設定手段と、
   前記搭乗者の身体的情報を取得する情報取得手段と、を備え、
   前記設定手段は、前記情報取得手段により取得された搭乗者の身体的情報に基づいて、前記操作ハンドルの傾斜角または台車部の荷重と前記駆動手段に対する指令値との関係を示すマップ情報を設定することで、前記倒立制御及び／又は旋回制御を行なうための前記制御ゲインを設定する、ことを特徴とする倒立型移動体。
3. 請求項２記載の倒立型移動体であって、
   前記設定手段は、
   前記情報取得手段により取得された搭乗者の身体的情報に基づいて、前記操作ハンドルのロール方向の傾斜角または台車部の荷重と前記駆動手段に対する旋回速度指令値との関係を示す旋回制御のマップ情報を設定し、
   前記情報取得手段により取得された搭乗者の身体的情報に基づいて、前記操作ハンドルのピッチ方向の傾斜角または台車部の荷重と前記駆動手段に対する姿勢速度指令値との関係を示す倒立制御のマップ情報を設定し、
   前記制御手段は、
   前記操作検出手段により検出された操作ハンドルのロール方向の傾斜角または台車部の荷重と、前記設定手段により設定された旋回制御のマップ情報と、に基づいて前記旋回速度指令値を算出し、
   前記操作検出手段により検出された操作ハンドルのピッチ方向の傾斜角または台車部の荷重と、前記設定手段により設定された倒立制御のマップ情報と、に基づいて前記姿勢速度指令値を算出し、
   前記算出した旋回速度指令値と姿勢速度指令値とに基づいて、前記駆動手段を制御する、ことを特徴とする倒立型移動体。
4. 請求項３記載の倒立型移動体であって、
   前記マップ情報には、前後方向又は左右方向に対するバランスの中心点が設定されており、
   前記設定手段は、前記情報取得手段により取得された搭乗者の身体的情報に基づいて、前記マップ情報のバランスの中心点をシフトする、ことを特徴する倒立型移動体。
5. 請求項４記載の倒立型移動体であって、
   前記設定手段は、前記情報取得手段により取得された搭乗者の身体的情報に基づいて、搭乗者の重心位置がシフトしている方向に前記マップ情報のバランスの中心点をシフトする、ことを特徴とする倒立型移動体。
6. 請求項３乃至５のうちいずれか１項記載の倒立型移動体であって、
   前記設定手段は、前記情報取得手段により取得された搭乗者の身体的情報に基づいて、前記マップ情報における前記操作ハンドルのロール方向の傾斜角または台車部の荷重に対する前記旋回速度指令値および前記姿勢速度指令値の傾きを変更する、ことを特徴とする倒立型移動体。
7. 請求項６記載の倒立型移動体であって、
   前記設定手段は、前記情報取得手段により取得された搭乗者の身体的情報に基づいて、搭乗者の身体的不具合が生じている側の、前記マップ情報の前記操作ハンドルのロール方向の傾斜角または台車部の荷重に対する前記旋回速度指令値および前記姿勢速度指令値の傾きを、正常な側の前記指令値の傾きより小さく設定する、ことを特徴とする倒立型移動体。
8. 請求項３乃至７のうちいずれか１項記載の倒立型移動体であって、
   前記マップ情報には、操作ハンドルの傾斜角または台車部の荷重が変化しても前記旋回速度指令値および前記姿勢速度指令値が変化しない不感帯が設定されており、
   前記設定手段は、前記情報取得手段により取得された搭乗者の身体的情報に基づいて、前記マップ情報の不感帯幅を変更する、ことを特徴する倒立型移動体。
9. 請求項８記載の倒立型移動体であって、
   前記マップ情報には、前後方向又は左右方向に対するバランスの中心点が設定されており、
   前記設定手段は、前記情報取得手段により取得された搭乗者の身体的情報に基づいて、前記マップ情報の不感帯において、前記バランスの中心点を中心とした一方側の不感帯幅と他方側の不感帯幅との比率を変える、ことを特徴とする倒立型移動体。
10. 請求項９記載の倒立型移動体であって、
    前記設定手段は、前記情報取得手段により取得された搭乗者の身体的情報に基づいて、前記マップ情報の不感帯において、搭乗者の身体的不具合が生じている側の不感帯幅を正常な側の不感帯幅より狭く設定すること、を特徴とする倒立型移動体。
11. 搭乗者が搭乗する台車部と、
    前記台車部に設けられ搭乗者が操作を行う操作ハンドルと、
    前記台車部に設けれた車輪を駆動する駆動手段と、備える倒立型移動体の制御方法であって、
    前記操作ハンドルの傾斜角または前記台車部に掛かる荷重を検出するステップと、
    前記検出された傾斜角又は荷重と、制御ゲインと、に基づいて、前記駆動手段を制御して倒立制御及び／又は旋回制御を行なうステップと、
    を含み、
    前記倒立型移動体の走行方向に応じて異なる値の前記制御ゲインが設定されており、
    搭乗者の身体的情報に基づいて、前記操作ハンドルの傾斜角または台車部の荷重と前記駆動手段に対する指令値との関係を示すマップ情報が設定されており、
    前記マップ情報には、左右方向に対するバランスの中心点が設定されており、
    前記搭乗者の身体的情報に基づいて、前記マップ情報のバランスの中心点はシフトしている、
    ことを特徴とする倒立型移動体の制御方法。
12. 搭乗者が搭乗する台車部と、
    前記台車部に設けられ搭乗者が操作を行う操作ハンドルと、
    前記台車部に設けれた車輪を駆動する駆動手段と、備える倒立型移動体の制御プログラムであって、
    検出された前記操作ハンドルの傾斜角又は前記台車部に掛かる荷重と、制御ゲインと、に基づいて、前記駆動手段を制御して倒立制御及び／又は旋回制御を行なう処理と、
    をコンピュータに実行させ、
    前記倒立型移動体の走行方向に応じて異なる値の前記制御ゲインが設定されており、
    搭乗者の身体的情報に基づいて、前記操作ハンドルの傾斜角または台車部の荷重と前記駆動手段に対する指令値との関係を示すマップ情報が設定されており、
    前記マップ情報には、左右方向に対するバランスの中心点が設定されており、
    前記搭乗者の身体的情報に基づいて、前記マップ情報のバランスの中心点はシフトしている、
    ことを特徴とする倒立型移動体の制御プログラム。

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