JP6245134B2

JP6245134B2 - 倒立型移動体

Info

Publication number: JP6245134B2
Application number: JP2014211954A
Authority: JP
Inventors: 周平真鍋; 英祐青木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-10-16
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2017-12-13
Anticipated expiration: 2034-10-16
Also published as: JP2016078641A

Description

本発明は倒立型移動体に関する。

ユーザが搭乗して操作することが可能な倒立型移動体（以下、単に移動体とも記載）が提案されている。

例えば、特許文献１には、移動体に搭乗した搭乗者の身体機能やバランス機能を訓練する訓練システムが開示されている。この訓練システムでは、訓練毎の状態量（移動体の状態量、搭乗者の状態量のうち少なくもいずれか）の変化に基づいて、訓練の改善度合いを示す訓練改善度を算出する。これにより、移動体に搭乗した搭乗者を効率的に訓練することを可能にしている。また、この訓練システムでは、搭乗者が重心移動により移動体の走行操作を行う訓練モードと、搭乗者による走行操作に応じて通常の走行を行う通常モードを、訓練監督者等の第３者が遠隔操作で切り替えることもできる。

特開２０１１−１４０２６２号公報

搭乗者が移動体に搭乗して訓練を行う場合、搭乗者の操作だけでは、移動体に所定の走行を行わせることができなかったり、又は所定の走行を行わせるのに時間がかかったりする場合が考えられる。特に、搭乗者が移動体のハンドルを左右に回して移動体を旋回させる動作については、搭乗者の身体機能やバランス機能が高くない場合、十分にできないことが想定される。特許文献１にかかる訓練システムでは、第３者が移動体の操作モードを切り替えることは開示されているものの、移動体の走行を介助する方法については開示されていない。

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、搭乗者が倒立型移動体を所定の方向に旋回させる操作が十分にできない場合でも、介助者が倒立型移動体を所定の方向に旋回させる操作を行うことが可能な倒立型移動体を提供することを目的とする。

本発明の一態様にかかる倒立型移動体は、搭乗者が搭乗し倒立状態を維持して走行するものであって、前記搭乗者が前記倒立型移動体を旋回させるための操作を行う操作部と、前記搭乗者の介助者が前記倒立型移動体を旋回させるための操作を行う介助操作部と、前記操作部又は前記介助操作部のいずれかが操作された場合には、その操作に基づいて前記倒立型移動体に旋回を実行させ、前記操作部及び前記介助操作部の両方が操作された場合には、前記倒立型移動体に対して、前記操作部の操作に基づく旋回の実行を徐々に停止させるとともに、前記介助操作部の操作に基づく旋回を徐々に実行させる制御部と、を備える。

この倒立型移動体において、制御部は、操作部及び介助操作部の両方が操作された場合に、倒立型移動体に対して操作部の操作に基づく旋回の実行を徐々に停止させる。また、介助操作部の操作に基づく旋回を徐々に実行させる。このため、倒立型移動体は、介助者の操作に基づく旋回を搭乗者の操作に基づく旋回よりも優先して移動体に実行させることができる。そのため、操作部及び介助操作部の両方が操作された場合でも、介助者が移動体を所定の方向に旋回させる操作を行うことができる。

また、制御部は、倒立型移動体に対して操作部の操作に基づく旋回の実行をすぐに停止させるのではなく、徐々に停止させている。そのため、搭乗者の操作に基づく旋回の実行をすぐに停止させる場合と比較して倒立型移動体の急な動きを抑制することができる。従って、倒立型移動体をより安定して動かすことができる。

本発明により、搭乗者が倒立型移動体を旋回させる操作が十分にできない場合でも、介助者が倒立型移動体を旋回させる操作を行うことが可能な倒立型移動体を提供することができる。

実施の形態１にかかる訓練システムを示す図である。実施の形態１にかかる倒立型移動体の概略的な構成を示す斜視図である。実施の形態１にかか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。実施の形態１にかかる制御部の概略的なシステム構成を示すブロック図である。実施の形態１にかかる倒立型移動体の制御方法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１について説明する。図１は、搭乗者Ｐの身体機能やバランス機能を訓練するための訓練システム１を示している。訓練システム１において、搭乗者Ｐは倒立型移動体１０（以下、移動体１０とも記載）に搭乗し、範囲Ａの範囲において移動体１０を動かしている。移動体１０は、倒立制御により倒立状態を維持しつつ、車輪をモータによって駆動して走行を行う二輪型のロボットである。搭乗者Ｐの上半身にはハーネスＨが取り付けられており、ハーネスＨは吊り具Ｔに連結されている。ハーネスＨが取り付けられることにより、搭乗者Ｐの動作可能な範囲が制限されるため、搭乗者Ｐが転倒することを抑制することができる。モニタＭ１には、訓練のための画面が表示されており、搭乗者ＰはモニタＭ１を見ながら移動体１０の操作を行う。このモニタＭ１により、搭乗者Ｐは、ゲーム感覚で楽しみながら訓練を行うことができる。なお、訓練のための画面は、例えばクラウドから取得される。

介助者Ｃは、搭乗者Ｐの訓練の様子を見ており、必要に応じて移動体１０の操作を実行する。図１において、介助者Ｃは、モニタＭ２を参照して搭乗者Ｐの訓練度を確認している。

次に、移動体１０の構成について説明する。図２は、移動体１０の概略的な構成を示す斜視図である。移動体１０は、車両本体部１１と車輪１２Ｒ及び１２Ｌとステップ部１３Ｒ及び１３Ｌと操作ハンドル１４と旋回スイッチ１５を備える。なお、図２で示した構成要素以外にも、移動体１０は、倒立制御及び走行を可能にする周知の構成を適宜有する。

車輪１２Ｒは、車両本体部１１の右側面（移動体１０の右下方）に回転自在に支持されており、車輪１２Ｌは、車両本体部１１の左側面（移動体１０の左下方）に回転自在に支持されている。一対の車輪１２Ｒ、１２Ｌは、車両本体部１１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ている。なお、図２では、Ｘ軸方向を左右方向、Ｙ軸方向を前後方向、Ｚ軸方向を上下方向としている。

一対のステップ部１３Ｒ、１３Ｌは、車両本体部１１の上面かつ操作ハンドル１４の左右両側に設けられている。ステップ部１３Ｒ、１３Ｌは、搭乗者Ｐがそれぞれ右足、左足を乗せて搭乗するステップである。

操作ハンドル１４は、車両本体部１１の前部に連結されており、車両本体部１１の上方に突出している。搭乗者Ｐは、操作ハンドル１４を操作することによって移動体１０を移動させることができる。例えば、搭乗者Ｐが操作ハンドル１４を前後方向に傾けることによって、移動体１０の前進又は後退操作が実行され、ロール方向（左右方向）へ傾けることによって、移動体１０を右方向又は左方向へ旋回させる操作（旋回操作）を実行することができる。車両本体部１１は、操作ハンドル１４をロール方向へ回転自在に支持する。

旋回スイッチ１５は、操作ハンドル１４の上部に取付けられたスイッチであり、介助者Ｃが操作することができる。旋回スイッチ１５が操作されることにより、移動体１０は旋回を実行する。例えば、旋回スイッチ１５として左旋回スイッチと右旋回スイッチが設けられ、左旋回スイッチが操作されることにより移動体１０は左旋回を実行し、右旋回スイッチが操作されることにより移動体１０は右旋回を実行してもよい。旋回スイッチ１５は、例えば介助者Ｃが介助操作（位置調整操作）を行う場合に使用する。

次に、倒立型移動体のシステム構成について説明する。図３は、移動体１０の概略的なシステム構成を示すブロック図である。移動体１０は、そのシステム構成において、旋回スイッチ１５とハンドル操作検出部２１と車両状態計測部２２と制御部２３と駆動回路２４Ｒ及び２４Ｌと車輪駆動ユニット２５Ｒ及び２５Ｌを備える。以下、旋回スイッチ１５を除く各部について説明する。

ハンドル操作検出部２１は、操作ハンドル１４の操作量（例えば回動量や傾きの量）を検出するものであり、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。操作ハンドル１４が操作されると、ハンドル操作検出部２１は操作情報を制御部２３に出力する。この操作情報に基づき、制御部２３は移動体１０に右方向又は左方向への旋回を実行させる。

車両状態計測部２２は、移動体１０の姿勢、旋回状態等の車両状態を計測し、計測結果を制御部２３に出力する。例えば、車両状態計測部２２は、ジャイロセンサ、加速度センサ等から構成され、移動体１０の傾斜角度、傾斜角速度、傾斜角加速度等の姿勢情報を計測することができる。車両状態計測部２２が測定可能な傾斜方向は、例えばロール方向やピッチ方向である。なお、ロール軸は図２におけるＸ軸であり、ピッチ軸は図２におけるＹ軸である。

制御部２３は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算回路２３ａと、各種制御プログラムやデータなどが格納されたＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶部２３ｂを備えている。制御部２３は、車両状態計測部２２の検出結果の情報に基づいて所定の演算処理を実行し、駆動回路２４Ｒ及び２４Ｌに必要な出力情報を生成する。制御部２３は、生成した出力情報を出力指令信号として駆動回路２４Ｒ及び２４Ｌに出力する。この出力指令信号により制御部２３が後述する駆動モータ２５ａ及び２５ｃの駆動を制御することで、移動体１０は倒立状態を維持しつつ所望の走行を行う。

例えば、移動体１０が左又は右に傾いた際に、車両状態計測部２２は、かかる傾斜に対応した傾斜情報を検出する。制御部２３は、検出された傾斜情報に応じて、移動体１０の傾斜方向に移動体１０が移動するように、車輪駆動ユニット２５Ｒ、２５Ｌを駆動制御する。このように搭乗者Ｐは、その重心移動により各ステップ部１３Ｒ、１３Ｌを傾斜させることで、移動体１０を左又は右に旋回させることができる。同様に、搭乗者Ｐが操作ハンドル１４を前方または後方に傾けると、移動体１０を前方又は後方に移動させることができる。このように、車両状態計測部２２の計測情報は、移動体１０の倒立制御に用いられる。なお、制御部２３は、生成した出力情報及び車両状態計測部２２から取得した情報に基づいて、移動体１０の前進量、後退量、旋回量を取得し、それらの状態量を記憶部２３ｂに記憶してもよい。なお、旋回量の代わりに、移動体１０がヨー方向に動いた角度が
オドメトリに基づいて算出され、記憶部２３ｂに記憶されてもよい。

また、制御部２３は、旋回スイッチ１５の操作及びハンドル操作検出部２１の検出結果によっても、移動体１０を左又は右に旋回するように制御することができる。この詳細な説明については後述する。

各駆動回路２４Ｒ、２４Ｌは、制御部２３からの出力指令信号に基づいて、各車輪駆動ユニット２５Ｒ、２５Ｌを駆動する駆動電流を出力する。各駆動回路２４Ｒ、２４Ｌは、各車輪１２Ｒ、１２Ｌの回転速度や回転方向等を独立して制御するものであり、これらに各車輪駆動ユニット２５Ｒ、２５Ｌが個別に接続されている。

各車輪駆動ユニット２５Ｒ、２５Ｌは、各車輪１２Ｒ、１２Ｌを独立して回転駆動することができる。各車輪駆動ユニット２５Ｒ、２５Ｌは、例えば、各駆動モータ（アクチュエータ）２５ａ、２５ｃと、その各駆動モータ２５ａ、２５ｃの回転軸に動力伝達可能に連結された各減速ギア２５ｂ、２５ｄによって構成することができる。

次に、制御部２３の処理についてさらに詳しく説明する。図４は、制御部２３の概略的なシステム構成を示すブロック図である。図４に示すように、制御部２３は、操作検出部３１と車両動作決定部３２と出力決定部３３を有している。制御部２３の各部は、演算回路２３ａと記憶部２３ｂにより構成されている。

操作検出部３１は、旋回スイッチ１５からの操作情報及びハンドル操作検出部２１からの操作情報を検出し、検出結果を車両動作決定部３２に出力する。

車両動作決定部３２は、操作検出部３１の検出結果に基づいて、移動体１０の動作（例えば前進、後退、旋回量）を決定し、動作に必要な制御量を算出する。

出力決定部３３は、車両動作決定部３２が決定した制御量と、車両状態計測部２２が計測した車両状態に基づいて、各駆動モータ２５ａ、２５ｃの出力を決定し、その出力を指示した出力指令信号を各駆動回路２４Ｒ、２４Ｌに出力する。

以下、車両動作決定部３２が、操作ハンドル１４の操作及び旋回スイッチ１５の操作に基づいて旋回を実行する具体的な制御について説明する。図５には、移動体１０が走行する際に、車両動作決定部３２が実行する移動体１０の制御方法が示されている。なお、既に説明した箇所については、以下の記載で詳細な説明を省略する。

まず、車両動作決定部３２は、操作検出部３１が検出した検出結果（特にハンドル操作検出部２１の検出結果）に基づき、操作ハンドル１４において旋回操作がなされたか否かを判定する（ステップＳ１）。

操作ハンドル１４において旋回操作がなされていない場合（ステップＳ１のＮｏ）、次に車両動作決定部３２は、操作検出部３１が検出した検出結果に基づき、旋回スイッチ１５において操作がなされたか否かを判定する（ステップＳ２）。旋回スイッチ１５において操作がなされていない場合（ステップＳ２のＮｏ）、車両動作決定部３２は移動体１０に旋回を実行させない（ステップＳ３）。

旋回スイッチ１５において操作がなされていた場合（ステップＳ２のＹｅｓ）、車両動作決定部３２は、旋回スイッチ１５の操作に基づいて移動体１０を旋回させるように決定する。そして、車両動作決定部３２は、移動体１０がその旋回をするのに必要な制御量を算出する。これにより、移動体１０は、旋回スイッチ１５の操作に基づいて旋回する（ステップＳ４）。

以下、ステップＳ１に戻って説明を続ける。ステップＳ１において、操作ハンドル１４において旋回操作がなされている場合（ステップＳ１のＹｅｓ）、車両動作決定部３２は、操作検出部３１が検出した検出結果に基づき、旋回スイッチ１５において操作がなされたか否かを判定する（ステップＳ５）。

旋回スイッチ１５において操作がなされていない場合（ステップＳ５のＮｏ）、車両動作決定部３２は、操作ハンドル１４の操作に基づいて移動体１０を旋回させるように決定する。そして、車両動作決定部３２は、移動体１０がその旋回をするのに必要な制御量を算出する。これにより、移動体１０は、操作ハンドル１４の操作に基づいて旋回する（ステップＳ４）。

旋回スイッチ１５において操作がなされている場合（ステップＳ５のＹｅｓ）、車両動作決定部３２は、最初は操作ハンドル１４の操作に基づいて移動体１０を旋回させるものの、徐々にその旋回を停止させるとともに、旋回スイッチ１５の操作に基づく移動体１０の旋回を徐々に実行させるように決定する。そして、車両動作決定部３２は、移動体１０がその旋回をするのに必要な制御量を算出する。このため、移動体１０の旋回は、操作ハンドル１４の操作に基づく旋回から、旋回スイッチ１５の操作に基づく旋回に徐々に切り替わる（ステップＳ６）。

例えば、操作ハンドル１４の操作が左旋回を指示するものであるのに対し、旋回スイッチ１５の操作は右旋回を指示するものであるとする。このとき、車両動作決定部３２は、最初は移動体１０に左旋回を実行させるものの、徐々に左旋回を停止して右旋回を実行させるように制御する。なお、操作ハンドル１４の操作に基づく旋回方向と旋回スイッチ１５の操作に基づく旋回方向とが同じであり、それらの旋回速度が異なるものである場合も考えられる。この場合には、車両動作決定部３２は、旋回速度を操作ハンドル１４の操作に基づくものから旋回スイッチ１５の操作に基づくものに徐々に変更する。

このように、制御部２３は、搭乗者Ｐが操作ハンドル１４を操作するととともに介助者Ｃが旋回スイッチ１５を操作する場合（例えば、操作ハンドル１４の操作と旋回スイッチ１５の操作とがほぼ同時に行われた場合や、操作ハンドル１４の操作がなされている最中に旋回スイッチ１５の操作が行われた場合）に、介助者Ｃの操作に基づく旋回を搭乗者Ｐの操作に基づく旋回よりも優先して移動体１０に実行させることができる。そのため、介助者Ｃが移動体１０を旋回させる操作を行うことができる。また、制御部２３は、移動体１０に対して操作ハンドル１４の操作に基づく旋回の実行をすぐに停止させるのではなく、徐々に停止させている。そのため、搭乗者Ｐの操作に基づく旋回の実行をすぐに停止させる場合と比較して移動体１０の急な動きを抑制することができる。従って、移動体１０をより安定して動かすことができる。

［実施の形態２］
実施の形態１における車両動作決定部３２は、操作ハンドル１４の操作及び旋回スイッチ１５の操作に基づいて、別の制御を実行してもよい。

上述の通り、車両動作決定部３２は、旋回スイッチ１５の操作に基づく旋回動作を、操作ハンドル１４の操作に基づく旋回動作と比較して、移動体１０に優先して実行させている。ここで、介助者Ｃが旋回スイッチ１５の操作を無効にした場合（介助者Ｃが旋回指示を取り消した場合）、車両動作決定部３２は、最初は旋回スイッチ１５の操作に基づいて移動体１０を旋回させるものの、徐々にその旋回を停止させるとともに、操作ハンドル１４の操作に基づく移動体１０の旋回を徐々に実行させるように決定する。このため、移動体１０の旋回は、旋回スイッチ１５の操作に基づく旋回から、操作ハンドル１４の操作に基づく旋回に徐々に切り替わる。

このように、移動体１０が操作ハンドル１４の操作に基づく旋回を徐々に実行するように制御することで、操作ハンドル１４の操作に基づく旋回をすぐに実行させる場合と比較して移動体１０の急な動きを抑制することができる。従って、移動体１０をより安定して動かすことができる。

［実施の形態３］
実施の形態１で記載した通り、制御部２３の記憶部２３ｂには、移動体１０の旋回量か、ヨー方向へ動いた角度が記憶されていてもよい。ここで、車両動作決定部３２は、記憶部２３ｂに記憶された旋回量又はヨー方向へ動いた角度が大きいほど、旋回スイッチ１５の操作に基づく移動体１０の旋回速度を速め、旋回量又はヨー方向へ動いた角度が小さいほど、その旋回速度を遅くするよう設定してもよい。例えば、車両動作決定部３２は、旋回スイッチ１５が操作される直前に記憶部２３ｂに記憶された旋回量又はヨー方向へ動いた角度に基づいて、上述の制御を行ってもよい。つまり、介助者Ｃは、搭乗者Ｐが移動体１０を旋回させた量に応じて移動体１０の旋回を実行することができる。そのため、例えば移動体１０の向きを元に戻すため介助者Ｃが移動体１０を旋回させるような場合、移動体１０の向きを元に戻すために必要な時間を長すぎずかつ短すぎないようにすることができる。そのため、介助者Ｃが移動体１０の向きを正しく合わせるようにすることが容易となる。

実施の形態１〜３に示した移動体１０は、例えば受動的なリハビリテーションに用いることができる。実施の形態１〜３に示した発明は、適宜組み合わせることも可能である。

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。例えば、実施の形態１〜３において、介助者Ｃが移動体１０の旋回を指示するために、旋回スイッチ１５ではなく、旋回レバーや旋回バーが移動体１０に設けられてもよい。

実施の形態１では、制御部２３は、搭乗者Ｐが操作ハンドル１４を操作するととともに介助者Ｃが旋回スイッチ１５を操作する場合に、移動体１０の旋回を、操作ハンドル１４の操作に基づく旋回から旋回スイッチ１５の操作に基づく旋回に徐々に切り替えていた。ただし、移動体１０の旋回を、操作ハンドル１４の操作に基づく旋回から旋回スイッチ１５の操作に基づく旋回にすぐに切り替えてもよい。このようにしても、介助者Ｃの操作に基づく旋回を搭乗者Ｐの操作に基づく旋回よりも優先して移動体１０に実行させることができる。

図５のフローにおいて、「旋回スイッチ１５から操作があったか否か」を、「操作ハンドル１４から操作があったか否か」よりも先に判定してもよい。また、図５のフローは、ＣＰＵ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させることも可能である。

１訓練システム
１０倒立型移動体
１１車両本体部
１２Ｒ、１２Ｌ車輪
１３Ｒ、１３Ｌステップ部
１４操作ハンドル
１５操作スイッチ
２１ハンドル操作検出部
２２車両状態計測部
２３制御部
２３ａ演算回路
２３ｂ記憶部
２４Ｒ駆動回路
２４Ｌ駆動回路
２５Ｒ、２５Ｌ車輪駆動ユニット
２５ａ、２５ｃ駆動モータ
２５ｂ、２５ｄ減速ギア
３１操作検出部
３２車両動作決定部
３３出力決定部

Claims

搭乗者が搭乗し倒立状態を維持して走行する倒立型移動体であって、
前記搭乗者が前記倒立型移動体を旋回させるための操作を行う操作部と、
前記倒立型移動体の旋回量またはヨー方向に動いた角度を記憶する記憶部と、
前記搭乗者の介助者が前記倒立型移動体を旋回させるための操作を行う介助操作部と、
前記操作部又は前記介助操作部のいずれかが操作された場合には、その操作に基づいて前記倒立型移動体に旋回を実行させ、前記操作部及び前記介助操作部の両方が操作された場合には、前記倒立型移動体に対して、前記操作部の操作に基づく旋回の実行を徐々に停止させるとともに、前記介助操作部の操作に基づく旋回を徐々にかつ前記介助操作部が操作される直前に前記記憶部に記憶された前記旋回量または前記ヨー方向に動いた角度が大きいほど速い速度で実行させる制御部と、を備える
倒立型移動体。