JP6245115B2 - 倒立型移動体及びその制御方法 - 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及びその制御方法に関するものである。

搭乗者が搭乗する車両本体に補助輪を設け車両本体を安定化させる倒立型移動体が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１１−１６８２３６号公報

上記倒立型移動体の車両本体に、例えば、搭乗者の重心移動に応じて車両本体を左右方向に搖動させる搖動機構が設けられている場合を想定する。この場合、乗降時には車両本体の左右方向への搖動をロックして車両本体を安定化させるのが好ましい。一方、乗車時には車両本体の左右方向への搖動のロックを解除して重心移動による平行感覚訓練などによる走行が行えるのが好ましい。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、乗降時には車両本体の左右方向への搖動をロックして車両本体を安定化させることができ、乗車時には車両本体の左右方向への搖動のロックを解除して重心移動による走行が行える倒立型移動体及びその制御方法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、倒立状態を維持して走行する倒立型移動体であって、搭乗者が搭乗し、該搭乗者の重心移動に応じて左右方向に搖動する搖動機構を含む車両本体と、前記車両本体に上下方向に搖動可能に設けられ、路面に接地する補助スタンドと、前記補助スタンドが上がった状態で前記搖動機構の搖動を許可することで該搖動機構をアンロック状態にし、前記補助スタンドが下がった状態で前記搖動機構の搖動を禁止することで該搖動機構をロック状態にするロック機構と、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、前記搖動機構は、互いに平行をなして上下に配置された車体上部材及び車体下部材と、互いに平行をなして左右に配置されると共に前記車体上部材及び車体下部材と回動可能に連結された一対の側面部材と、を有しており、前記補助スタンドは、前記車体上部材に上下方向に搖動可能に設けられ、前記ロック機構は、前記車体下部材に設けられるロック部材を有しており、前記補助スタンドには、前記ロック部材が挿入される挿入部が形成されており、前記補助スタンドが下がり路面に接地した状態で、前記ロック機構のロック部材が前記補助スタンドの挿入部内に挿入され、前記搖動機構がロック状態になってもよい。
この一態様において、前記ロック機構のロック部材は、前記補助スタンドの挿入部への挿入方向に対して楔形形状を有していてもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、搭乗者が搭乗し、該搭乗者の重心移動に応じて左右方向に搖動する搖動機構を含む車両本体と、前記車両本体に上下方向に搖動可能に設けられ、路面に接地する補助スタンドと、を備え、倒立状態を維持して走行する倒立型移動体の制御方法であって、前記補助スタンドが上がった状態で前記搖動機構の搖動を許可することで該搖動機構をアンロック状態にし、前記補助スタンドが下がった状態で前記搖動機構の搖動を禁止することで該搖動機構をロック状態にする、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。

本発明によれば、乗降時には車両本体の左右方向への搖動をロックして車両本体を安定化させることができ、乗車時には車両本体の左右方向への搖動のロックを解除して重心移動による走行が行える倒立型移動体及びその制御方法を提供することを主たる目的とする。

本発明の一実施形態に係る倒立型移動体の概略的構成を示す正面図である。 本発明の一実施形態に係る倒立型移動体のシステム構成を示すブロック図である。 補助スタンドを下げた状態の一例を示す図である。 補助スタンドを上げた状態の一例を示す図である。 車両本体の搖動機構の搖動を示す模式図である。 車両本体を正面から見た図であり、補助スタンドの挿入部及びロック機構のロック部材の一例を示す図である。 本発明の一実施形態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。

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、本発明の一実施形態に係る倒立型移動体の概略的構成を示す正面図である。図２は、本発明の一実施形態に係る倒立型移動体のシステム構成を示すブロック図である。本実施形態に係る倒立型移動体１は、例えば、搭乗者を乗せ倒立状態を維持して走行を行う倒立二輪車として構成されている。倒立型移動体１は、車両本体２と、車輪３Ｌ、３Ｒと、車輪駆動ユニット４Ｌ、４Ｒと、操作ハンドル５と、補助スタンド６と、搖動装置７と、制御装置８と、を備えている。

操作ハンドル５は、これを前後方向に傾けることによって、倒立型移動体１の前進又は後退操作が実行される。また、ステップ部２７Ｒまたは２７Ｌに操作者が荷重を与えると車体上部材２３、車体下部材２４、各側面部材２５Ｌ、２５Ｒおよびコイルばね２６Ｌ、２６Ｒのリンク機構がロール方向へ変位し、これによって車体の旋回操作が可能になっている。このリンク機構の変位に伴って操作ハンドル５は左右何れかに傾くが、これは操作者の足による荷重のかけ方に伴う結果であり、操作者による荷重移動の際操作ハンドル５を支えとして利用することで、操作ハンドル５は操作者が車体上で体のバランスを保つための補助材となり得る。なお、ロール軸とは車体本体２の中心を通り倒立型移動体１の走行方向と平行な軸のことをいう。

操作ハンドル５の上端部には、例えば、降車スイッチ５１が設けられている。搭乗者が降車スイッチ５１を押下すると、降車スイッチ５１は降車補助開始トリガ信号を制御装置８に対して供給する。制御装置８は、降車補助開始トリガ信号に応じて、後述の搭乗者の降車を補助する降車補助制御を実行する。

車両本体２は、操作ハンドル５をロール方向へ回転自在に支持する。また、一対の車輪３Ｌ、３Ｒは、車両本体２の走行方向と直交する方向の両側において同軸上に配置されると共に当該車両本体２に回転自在に支持されている。

車両本体２の前方には、路面と接地する略Ｔ字状の補助スタンド６が上下方向に搖動可能に設けている（図３及び図４）。補助スタンド６は、車両本体２の設けられた中心軸２１に軸支されており、この中心軸２１を中心にして上下方向に搖動する。

車両本体２には、補助スタンド６を搖動させる搖動装置７が設けられている。搖動装置７は、例えば、モータと、モータの回転軸に動力伝達可能に連結された減速ギアと、から構成されている。搖動装置７は、制御装置８からの制御信号に応じて、補助スタンド６を上下方向へ搖動させる。例えば、制御装置８は、降車補助制御を開始すると、搖動装置７を制御して補助スタンド６を下げる（図３）。そして、制御装置８は、各車輪駆動ユニット４Ｌ、４Ｒを制御して車両本体２を前方向へ傾斜させることで、補助スタンド６を路面に接地させる。これにより、搭乗者は補助スタンド６により車両本体２を安定させた状態で安全に降車できる。

なお、制御装置８は、搖動装置７を制御して補助スタンド６を下げた後、降車補助制御を開始して、各車輪駆動ユニット４Ｌ、４Ｒを制御して車両本体２を前方向へ傾斜させ、補助スタンド６を路面に接地させてもよい。さらに、制御装置８は、降車補助制御を開始すると、搖動装置７を制御して補助スタンド６を下げつつ、各車輪駆動ユニット４Ｌ、４Ｒを制御して車両本体２を前方向へ傾斜させることで、補助スタンド６を路面に接地させてもよい。

制御装置８は、搭乗者が車両本体２上に乗車すると、搖動装置７を制御して補助スタンド６を上方に搖動させて路面から離脱させる（図４）。なお、制御装置８が搖動装置７を制御して補助スタンド６を自動的に搖動させているが、これに限らない。制御装置８は、搭乗者により入力された操作情報に応じて搖動装置７を制御して補助スタンド６を搖動させてもよい。

車両本体２には、補助スタンド６の反時計方向への搖動を制限するメカストッパ２２が設けられている。メカストッパ２２の先端は、補助スタンド６が下り最下点を僅かに通過した位置で補助スタンド６に対し前方に向けて当接し、補助スタンドを位置決めする。これにより、補助スタンド６が路面との摩擦力によって、反時計方向に行き過ぎるのを防止し、補助スタンド６の接地位置を安定させることができる。

車両本体２は、搭乗者の重心移動に応じて左右方向に搖動する搖動機構２８を含む。搖動機構２８は、例えば、互いに平行をなして上下に配置された車体上部材２３及び車体下部材２４と、互いに平行をなして左右に配置されると共に車体上部材２３及び車体下部材２４と回動可能に連結された一対の側面部材２５Ｌ、２５Ｒと、を有する平行リンク機構として構成されている（図５）。

この搖動機構２８の車体上部材２３と車体下部材２４との間には、車体上部材２３及び車体下部材２４と、一対の側面部材２５Ｌ、２５Ｒと、が成す角度を夫々直角に維持するようにばね力を発生する、一対のコイルばね２６Ｌ、２６Ｒが介在されている。一対の側面部材２５Ｌ、２５Ｒの上端部には、ステップ部２７Ｌ、２７Ｒが夫々独立して取り付けられている。各ステップ部２７Ｌ、２７Ｒは、搭乗者の重心移動に応じて、各側面部材２５Ｌ、２５Ｒと共に左右方向へ傾斜する。

ところで、車両本体を左右方向に搖動させる搖動機構が設けられている場合、乗降時には車両本体の左右方向への搖動をロックして車両本体を安定化させるのが好ましい。一方、乗車時には車両本体の左右方向への搖動のロックを解除して重心移動による平衡感覚訓練などの走行が行えるのが好ましい。

これに対し、本実施形態に係る倒立型移動体１は、補助スタンド６が上がった状態で搖動機構２８の搖動を許可することで搖動機構２８をアンロック状態にし、補助スタンド６が下がった状態で搖動機構２８の搖動を禁止することで搖動機構２８をロック状態にするロック機構２９を備える。これにより、乗降時には、補助スタンド６を接地させ、車両本体２を前後方向に安定させつつ、同時に、車両本体２の左右方向への搖動をロックして車両本体２を安定化させることができる。一方、乗車時には車両本体２の左右方向への搖動のロックを解除して重心移動による走行が行え、平衡感覚訓練などが可能となる。

例えば、ロック機構２９は、前後方向に延在する棒状のロック部材２９１を有する（図６）。ロック機構２９のロック部材２９１は、搖動機構２８の車体下部材２４に設けられている。補助スタンド６は、搖動機構２８の車体上部材２３に上下方向へ搖動可能に設けられている。補助スタンド６には、ロック機構２９のロック部材２９１が挿入される挿入部６１が設けられている。

ロック機構２９のロック部材２９１が補助スタンド６の挿入部６１内に挿入されると、上述した車体下部材２４に対する車体上部材２３の左右方向への相対移動が規制される。これにより、搖動機構２８の左右方向への搖動はロック状態となる。なお、ロック機構２９のロック部材２９１は、補助スタンド６の挿入部６１への挿入方向に対して楔形形状を有している。これにより、ロック部材２９１はその楔形状に従って補助スタンド６の挿入部６１の中心安定位置に案内され、搖動機構２８を確実にロックすることができる。

補助スタンド６、搖動機構２８、及びロック機構２９が、上述したような構成を有することで、ロック機構２９は、補助スタンド６の上下動に連動して搖動機構２８の搖動をロック状態及びアンロック状態にする。

補助スタンド６が上がった状態では、ロック機構２９のロック部材２９１は補助スタンド６の挿入部６１内に挿入されず、搖動機構２８の搖動はアンロック状態となっている。この状態では、搭乗者の重心移動に応じて、車両本体２の搖動機構２８は左右方向へ自由に搖動する。例えば、搭乗者の乗車時には車両本体２の左右方向への搖動のロックが解除される。これにより、倒立型移動体１は、搭乗者の重心移動による平衡感覚訓練走行を行うことができる。

一方、補助スタンド６が下がりその搖動角度が所定角度以上になると、ロック機構２９のロック部材２９１は補助スタンド６の挿入部６１内に徐々に挿入される。そして、補助スタンド６が下がりきり接地した状態で、ロック機構２９のロック部材２９１は搖動機構２８の挿入部６１内に完全に挿入される。この状態で、搖動機構２８は、ロック機構２９によって完全に固定されたロック状態となる。この状態では、搭乗者が重心移動しても、車両本体２の搖動機構２８は左右方向へ搖動することなく、安定している。さらに、補助スタンド６が接地していることで、車両本体２は前後方向に安定している。このように、車両本体２を前後方向及び左右方向に安定化させることができため、搭乗者の車両本体２への乗降性を大幅に向上させることができる。

また、ロック機構２９のロック部材２９１を設け、補助スタンド６に挿入部６１を設けるだけでの簡易な構成で、上記車両本体２の安定性を実現できる。従がって、製造コストの低減及び信頼性向上に繋がる。さらに、搭乗者は、補助スタンド６の操作のみを意識するだけ、車両本体２を前後方向及び左右方向に安定化させることができる。このため、操作性及び利便性が高い。なお、上述したロック機構２９が搖動機構２８をロック状態及びアンロック状態にする構成は一例であり、これに限定されず、上記効果が実現できれば任意の構成が適用できる。

一対の側面部材２５Ｌ、２５Ｒの各外面には、車輪駆動ユニット４Ｌ、４Ｒが夫々取り付けられている。車輪駆動ユニット４Ｌ、４Ｒは、一対の車輪３Ｌ、３Ｒを独立して回転駆動することができる。車輪駆動ユニット４Ｌ、４Ｒは、例えば、車輪駆動モータと、車輪駆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と、によって構成することができる。

車両本体２には、操作ハンドル５の操作量（回動量）を検出するための角度検出センサ９が取り付けられている。角度検出センサ９としては、例えば、ポテンショメータやバリコン構造のセンサ等を適用することができる。

車体上部材２３には、一対の車輪駆動ユニット４Ｌ、４Ｒ等を駆動する駆動回路１０Ｌ、１０Ｒが内蔵されている。車体下部材２４には、車両本体２や操作ハンドル５等の姿勢を検出してそれらの検出信号を出力する姿勢センサユニット１１と、一対の車輪駆動ユニット４Ｌ、４Ｒ等を駆動制御するための制御信号を出力する制御装置８と、が設けられている。

制御装置８は、姿勢センサユニット１１からの検出信号、角度検出センサ９からの検出信号、降車スイッチ５１からの降車補助開始トリガ信号等に基づいて所定の演算処理を実行し、必要な制御信号を一対の車輪駆動ユニット４Ｌ、４Ｒ等に対して出力する。制御装置８は、各車輪駆動ユニット４Ｌ、４Ｒを制御することで、倒立型移動体１の倒立状態を維持する倒立制御を実行する。

制御装置８は、例えば、マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）を有する演算回路８１と、プログラムメモリ、データメモリ、その他のＲＡＭ、ＲＯＭ等を有する記憶装置８２と、を備えている。一対の駆動回路１０Ｌ、１０Ｒは、一対の車輪３Ｌ、３Ｒの回転速度や回転方向等を独立して制御するもので、これらに一対の車輪駆動ユニット４Ｌ、４Ｒが個別に接続されている。

姿勢センサユニット１１は、倒立型移動体１の角速度や角加速度を検出するのもで、例えば、ジャイロセンサ、加速度センサなどから構成される。搭乗者が操作ハンドル５を前方または後方に傾けると、ステップ部２７Ｌ、２７Ｒが同方向に傾くことになるが、この姿勢センサユニット１１は、かかる傾斜に対応した角速度や角加速度を検出する。

制御装置８は、姿勢センサユニット１１によって検出された角速度や角加速度に基づいて、操作ハンドル５の傾斜方向に倒立型移動体１が移動するように、車輪駆動ユニット４Ｌ、４Ｒを駆動制御する。このように搭乗者は、重心移動によりステップ部２７Ｌ、２７Ｒを傾斜させることで、倒立型移動体１を前進又は後進させることができる。

補助スタンド６と路面との接地面は、例えば、補助スタンド６が搖動する中心軸２１に対して、後方側にオフセットしている。これにより、補助スタンド６が路面に接地したときに路面から受ける上方向の反力によって、中心軸２１を中心とした反時計方向のモーメント力を生じさせることができる。同時に、補助スタンド６と路面とに間に生じる後方向への摩擦力によって中心軸２１を中心とした時計方向のモーメント力が生じており、車両本体２の引きずり力となっている。しかしながら、上記オフセットさせることで生じた反時計方向のモーメント力によって車両本体２の引きずり力となる時計方向のモーメント力を打ち消すことができる。したがって、車両本体２を安定化させることができる。

図７は、本実施形態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。
補助スタンド６は接地し、ロック機構２９は搖動機構２８の左右方向への搖動をロックしている（ステップＳ１０１）。これにより、補助スタンド６により車両本体２の前後方向の姿勢が安定し、ロック機構２９により車両本体２の左右方向の姿勢が安定する。したがって、搭乗者は安全に乗車できる。

搭乗者が車両本体２に乗車すると、制御装置８は搖動装置７を制御して補助スタンド６を上方に搖動させて路面から離脱させる（ステップＳ１０２）。

ロック機構２９は、搖動機構２８の左右方向への搖動のロックを解除する（ステップＳ１０３）。この状態において、搭乗者の重心移動に応じて、車両本体２の搖動機構２８は左右方向へ自由に搖動する。

制御装置８は、姿勢センサユニット１１からの検出信号と、角度検出センサ９からの検出信号と、に基づいて、車輪駆動ユニット４Ｌ、４Ｒを制御して倒立制御を実行する（ステップＳ１０４）。例えば、搭乗者は重心移動により倒立型移動体１の前後進、左右旋回などの走行操作を行い、平衡感覚訓練を行う。

制御装置８は、降車スイッチ５１からの降車補助開始トリガ信号に応じて、降車補助制御を開始する（ステップＳ１０５）。制御装置８は、降車補助制御を開始すると、搖動装置７を制御して補助スタンド６を下げる（ステップＳ１０６）。

制御装置８は、各車輪駆動ユニット４Ｌ、４Ｒを制御して、車両本体２を前方向へ傾斜させ補助スタンド６を接地させる（ステップＳ１０７）。このとき、ロック機構２９は搖動機構２８の左右方向への搖動をロックする（ステップＳ１０８）。これにより、車両本体２を安定化させることができ、搭乗者は安全に降車することができる。

以上、本実施形態に係る倒立型移動体１において、補助スタンド６が上がった状態で搖動機構２８の搖動を許可することで搖動機構２８をアンロック状態にし、補助スタンド６が下がった状態で搖動機構２８の搖動を禁止することで搖動機構２８をロック状態にするロック機構２９を備える。これにより、乗降時には車両本体２の左右方向への搖動をロックして車両本体２を安定化させることができ、乗車時には車両本体２の左右方向への搖動のロックを解除して重心移動による走行が行える。

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、倒立型移動体１は、倒立二輪車として構成されているが、これに限らない。倒立型移動体１は、例えば、一輪あるいは三輪以上を有する倒立型車両として構成されていてもよい。
上記実施形態において、補助スタンド６及びロック機構２９は車両本体２の前方側に設けているがこれに限らない。補助スタンド６及びロック機構２９は車両本体２の後方側に設けていてよい。さらに、補助スタンド６及びロック機構２９は、車両本体２の前後方側に１組ずつ設けていてもよい。

１ 倒立型移動体、２ 車両本体、３Ｌ、３Ｒ 車輪、４Ｌ、４Ｒ 車輪駆動ユニット、５ 操作ハンドル、６ 補助スタンド、７ 搖動装置、８ 制御装置、９ 角度検出センサ、１０Ｌ、１０Ｒ 駆動回路、１１ 姿勢センサユニット、２８ 搖動機構、２９ ロック機構、６１ 挿入部、２９１ ロック部材

Claims (3)

1. 倒立状態を維持して走行する倒立型移動体であって、
   搭乗者が搭乗し、該搭乗者の重心移動に応じて左右方向に搖動する搖動機構を含む車両本体と、
   前記車両本体に上下方向に搖動可能に設けられ、路面に接地する補助スタンドと、
   前記補助スタンドが上がった状態で前記搖動機構の搖動を許可することで該搖動機構をアンロック状態にし、前記補助スタンドが下がった状態で前記搖動機構の搖動を禁止することで該搖動機構をロック状態にするロック機構と、を備え、
   前記搖動機構は、互いに平行をなして上下に配置された車体上部材及び車体下部材と、互いに平行をなして左右に配置されると共に前記車体上部材及び車体下部材と回動可能に連結された一対の側面部材と、を有しており、
   前記補助スタンドは、前記車体上部材に上下方向に搖動可能に設けられ、
   前記ロック機構は、前記車体下部材に設けられるロック部材を有しており、
   前記補助スタンドには、前記ロック部材が挿入される挿入部が形成されており、
   前記補助スタンドが下がり路面に接地した状態で、前記ロック機構のロック部材が前記補助スタンドの挿入部内に挿入され、前記搖動機構がロック状態になる、
   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、
   前記ロック機構のロック部材は、前記補助スタンドの挿入部への挿入方向に対して楔形形状を有している、ことを特徴とする、倒立型移動体。
3. 搭乗者が搭乗し、該搭乗者の重心移動に応じて左右方向に搖動する搖動機構を含む車両本体と、
   前記車両本体に上下方向に搖動可能に設けられ、路面に接地する補助スタンドと、を備え、倒立状態を維持して走行する倒立型移動体の制御方法であって、
   前記補助スタンドが上がった状態で前記搖動機構の搖動を許可することで該搖動機構をアンロック状態にし、前記補助スタンドが下がった状態で前記搖動機構の搖動を禁止することで該搖動機構をロック状態にし、
   前記搖動機構は、互いに平行をなして上下に配置された車体上部材及び車体下部材と、互いに平行をなして左右に配置されると共に前記車体上部材及び車体下部材と回動可能に連結された一対の側面部材と、を有しており、
   前記補助スタンドは、前記車体上部材に上下方向に搖動可能に設けられ、
   前記補助スタンドには、前記車体下部材に設けられるロック部材が挿入される挿入部が形成されており、
   前記補助スタンドが下がり路面に接地した状態で、前記ロック部材が前記補助スタンドの挿入部内に挿入され、前記搖動機構がロック状態になる、
   ことを特徴とする倒立型移動体の制御方法。

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