JP6265143B2

JP6265143B2 - バランス訓練システム

Info

Publication number: JP6265143B2
Application number: JP2015010664A
Authority: JP
Inventors: 英祐青木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-01-22
Filing date: 2015-01-22
Publication date: 2018-01-24
Anticipated expiration: 2035-01-22
Also published as: JP2016132445A

Description

本発明は、倒立二輪型移動体を用いた搭乗者のためのバランス訓練システムに関するものである。

姿勢センサから検出した自己の姿勢情報に基づいて倒立制御を行い、自己の姿勢を維持しながら車輪をモータ駆動して走行する倒立二輪型移動体がある。このような倒立二輪型移動体は、搭乗者の重心移動により車体を傾斜させることなどにより操作される。そのため、単なる移動手段ではなく、搭乗者の身体機能やバランス機能を向上あるいは回復させるための訓練に用いることもできる。例えば特許文献１には、倒立二輪型移動体を用いて、搭乗者が倒立二輪型移動体の走行操作を行う訓練をするための訓練システムが開示されている。

特許文献１に開示された訓練システムは、倒立二輪型移動体の状態量および搭乗者の状態量のうち少なくとも一方を検出する検出手段と、検出手段により検出された状態量を訓練毎に夫々記憶する記憶手段と、記憶手段に記憶された訓練毎の状態量の変化に基づいて、訓練の改善度合いを示す訓練改善度を算出する改善度算出手段と、を有している。この訓練システムによれば、移動体に搭乗した搭乗者の訓練をすることができる。

特開２０１１−１４０２６２号公報

訓練時に、訓練に習熟していない搭乗者が乗っている倒立二輪型移動体を補助するために補助者が倒立二輪型移動体の近傍に配置される場合がある。訓練中の搭乗者が倒立二輪型移動体で旋回する場合には、周囲に存在する補助者を回避する必要がある。特許文献１に記載されている倒立二輪型移動体をバランス訓練に用いるためには、倒立二輪型移動体の周囲の人がいる範囲内に倒立二輪型移動体が移動しないように、倒立二輪型移動体の移動範囲を制限する必要がある。

本発明は、倒立二輪型移動体の周囲の補助者作業領域内に倒立二輪型移動体が移動しないように、倒立二輪型移動体の移動範囲を制限することができる倒立二輪型移動体を用いたバランス訓練システムを提供することを目的とする。

本発明は、車体を傾けることにより移動する倒立二輪型移動体を用いたバランス訓練システムであって、
前記車体が有する車輪を駆動する駆動部と、
前記車体のリーン角度を検出するリーン角度検出部と、
前記リーン角度に基づいて前記車体が旋回する旋回角度を算出する旋回角度算出部と、
前記車体のヨー軸旋回角度を算出するヨー軸旋回角度算出部と、
前記ヨー軸旋回角度と予め設定されたヨー軸旋回角度閾値とを比較して比較結果を判定する可動範囲判定部と、
前記比較結果に基づいて前記旋回角度が閾値を超えた場合に前記旋回角度を補正する補正値を算出するヨー軸旋回角度補正部と、
前記旋回角度と前記補正値に基づいて前記駆動部を制御する制御部と、を有する。

本発明は、旋回角度算出部とヨー軸旋回角度算出部とによって倒立二輪型移動体の旋回角度が算出され、倒立二輪型移動体の可動範囲が予測される。そして、可動範囲判定部により、予測された可動範囲が閾値を超えた場合にヨー軸旋回角度補正部が旋回角度を補正する補正値を算出するので、制御部は旋回角度と補正値に基づいて駆動部を制御して倒立二輪型移動体の可動範囲を制限する。

本発明にかかる倒立二輪型移動体を用いたバランス訓練システムによると、倒立二輪型移動体の周囲の補助者作業領域内に倒立二輪型移動体が移動しないように倒立二輪型移動体の移動範囲を制限することができる。

バランス訓練システムの構成を示した図である。バランス訓練に用いられる倒立二輪型移動体を示した斜視図である。バランス訓練システムの内部構成を示したブロック図である。バランス訓練システムの可動範囲を模式的に示した平面図である。バランス訓練システムの処理を示したフロチャートである。バランス訓練システムの他の処理を示したフロチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１に示されるように、バランス訓練システム１００は、搭乗者の重心移動に応じて倒立制御されて走行する倒立二輪型移動体１０を用いた搭乗者Ｈのバランス訓練用システムである。バランス訓練システム１００は、倒立二輪型移動体１０と、搭乗者Ｈに仮想空間や乗車状態等のデータを表示するモニタ（表示部）８０とを有している。搭乗者Ｈを補助するために、搭乗者Ｈが搭乗した状態の倒立二輪型移動体１０の近傍に補助者ＰＴが配置される。

図２に示されるように、倒立二輪型移動体１０は、搭乗者Ｈが搭乗する車両本体１と、車両本体１に回転自在に連結された左右一対の車輪２Ｒ，２Ｌと、車両本体１に設けられた搭乗者Ｈが操作するための操作ハンドル４と、を備えている。車両本体１の下部には、一対の車輪２Ｒ，２Ｌが設けられている。車輪２Ｒ，２Ｌは、車両本体１の走行方向Ｘと直交する方向Ｙの両側面において同軸上に配置され、車両本体１に駆動部９０（図３参照）を介して回転自在に支持されている。また、車輪２Ｒ，２Ｌは、車両本体１に対してＸ軸周りに傾くように車両本体１に取り付けられている。これにより、車両本体１は、床面に対してＸ軸周りに傾くことができる。

車両本体１の前部中央には、起立した棒状の操作ハンドル４が前後左右方向に基端４ａを中心に回転自在に支持されている。操作ハンドル４は、搭乗者Ｈによって前後方向（Ｘ方向、−Ｘ方向）に傾けられることによって、倒立二輪型移動体１０の前進又は後退操作が実行される。そして、操作ハンドル４は、搭乗者Ｈによってリーン方向（Ｙ方向、−Ｙ方向）へ傾けられることによって、倒立二輪型移動体１０の左右への旋回操作が実行される。

図３に示されるように、倒立二輪型移動体１０には、車両本体１に設けられた車輪２Ｒ，２Ｌを駆動する駆動部９０と、駆動部９０を制御する制御部９１と、車両本体１のリーン角度を検出するリーン角度検出部９２と、検出されたリーン角度に基づいて倒立二輪型移動体１０が旋回すべき旋回角度を算出し、算出された旋回角度を制御部９１に出力する旋回角度算出部９３と、車両本体１のヨー軸（Ｚ軸：図２参照）周りのヨー軸旋回角度を算出するヨー軸旋回角度算出部９４と、算出されたヨー軸旋回角度と予め設定されたヨー軸旋回角度閾値とを比較して倒立二輪型移動体１０の可動範囲を判定して判定結果を出力する可動範囲判定部９５と、判定結果がヨー軸旋回角度閾値を超えた範囲外領域であった場合にヨー軸旋回角度補正値を制御部９１に出力するヨー軸旋回角度補正部９６と、を有する。

駆動部９０は、車輪２Ｒ，２Ｌをそれぞれ駆動する２つのモータ９０Ｒ，９０Ｌを有する。駆動部９０には、制御部９１が接続されている。制御部９１には、旋回角度算出部９３と、ヨー軸旋回角度補正部９６とが接続されている。制御部９１は、旋回角度算出部９３が出力した旋回角度と、ヨー軸旋回角度補正部９６が出力したヨー軸旋回角度補正値とに基づいて駆動部９０を制御する。

リーン角度検出部９２は、車両本体１の荷重変動に基づいて角度変化するＸ軸（図２参照）周りの傾斜角（リーン角度）を検出するためのジャイロセンサ等のリーン角度検出手段（不図示）を有する。ヨー軸旋回角度算出部９４は、車両本体１のヨー軸旋回角度を検出するヨー軸検出手段（不図示）を有する。ヨー軸検出手段は、左右の車輪２Ｒ，２Ｌの回転角度の差分を検知してヨー軸旋回角度を算出する。この他、ヨー軸検出手段は、ジャイロセンサから取得されたヨー軸角速度を積分して算出された姿勢角度の高周波成分とＸ軸およびＹ軸（図２参照）周りの加速度センサが検出した逆正接関数ａｒｃｔａｎθから算出された姿勢角度の低周波成分の合計値によって算出されたヨー軸を用いてヨー軸旋回角度を算出してもよい。

図４（Ａ）に示されるように、領域Ｐは、倒立二輪型移動体１０が移動する通常可動範囲を示している。倒立二輪型移動体１０の近傍で領域Ｐ内に補助者ＰＴが配置されている。倒立二輪型移動体１０の通常可動範囲では、倒立二輪型移動体１０が補助者ＰＴに近づくおそれがある。そこで、図４（Ｂ）に示されるように、補助者作業領域（領域Ｑ）を設定する。領域Ｑは、倒立二輪型移動体１０の通常可動範囲（領域Ｐ）に閾値角度を用いて設定される。この閾値角度は、倒立二輪型移動体１のヨー軸旋回角度を用いたヨー軸旋回角度閾値が用いられる。

領域Ｑに倒立二輪型移動体１０が移動しないように、可動範囲判定部９５は、ヨー軸旋回角度算出部９４で算出されたヨー軸旋回角度と予め設定されたヨー軸旋回角度閾値とを比較して倒立二輪型移動体１０の可動範囲を判定して判定結果を出力する。ヨー軸旋回角度補正部９６は、判定結果がヨー軸旋回角度閾値を超えた範囲外領域であった場合に、倒立二輪型移動体１０が領域Ｑに移動しない可動範囲となるようにヨー軸旋回角度補正値を算出する。制御部９１は、制御部９１は、旋回角度算出部９３が出力した旋回角度と、ヨー軸旋回角度補正部９６が出力したヨー軸旋回角度補正値とに基づいて駆動部９０を制御し、倒立二輪型移動体１０が領域Ｑに移動しないように制御することができる。

制御部９１には、表示部８０が接続されている。制御部９１は、乗車状態等の各種データをモニタ８０に出力する。さらに、モニタ８０には搭乗者がバランス訓練に用いる仮想空間や各種データが表示される。モニタ８０に表示される仮想空間は、操作者の操作に連動して動作する。

次に、バランス訓練システム１００の動作について説明する。

図５に示されるように、バランス訓練システム１００において、リーン角度検出部９２が車両本体１のリーン角度を検出する（Ｓ１００）。旋回角度算出部９３は、検出されたリーン角度に基づいて倒立二輪型移動体１０が旋回すべき旋回角度を算出する（Ｓ１０１）。同時に、ヨー軸旋回角度算出部９４は、車両本体１のヨー軸（Ｚ軸：図２参照）周りのヨー軸旋回角度を算出する（Ｓ１０２）。可動範囲判定部９５は、算出されたヨー軸旋回角度と予め設定されたヨー軸旋回角度閾値とを比較する（Ｓ１０３）。可動範囲判定部９５は、ヨー軸旋回角度がヨー軸旋回角度閾値を超えたかどうか判定する（Ｓ１０４）。

ヨー軸旋回角度補正部９６は、判定結果がヨー軸旋回角度閾値を超えた場合（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）、ヨー軸旋回角度補正値を制御部９１に出力し、制御部９１は、旋回角度と、ヨー軸旋回角度補正値とに基づいて駆動部９０を制御して倒立二輪型移動体１０が領域Ｑ（図４参照）に移動しないように制御する（Ｓ１０６）。判定結果がヨー軸旋回角度閾値を超えない場合（Ｓ１０４：Ｎｏ）、ヨー軸旋回角度補正部９６は、ヨー軸旋回角度補正値を制御部９１に出力せず、制御部９１は、旋回角度に基づいて駆動部９０を通常制御する（Ｓ１０５）。

上述したように、バランス訓練システム１００によると、倒立二輪型移動体１０を用いて搭乗者Ｈのバランス訓練をすることができる。そして、バランス訓練システム１００は、倒立二輪型移動体１０の近傍に位置している補助者ＰＴに倒立二輪型移動体１０が近づかないように倒立二輪型移動体１０を制御することができる。

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、上述したバランス訓練システム１００のステップＳ１０４以下の動作を図６に示される動作のように変更してもよい。

ステップＳ２００からＳ２０４まではステップＳ１００からＳ１０４までと同様である。判定結果がヨー軸旋回角度閾値を超えた場合（Ｓ２０４：Ｙｅｓ）、可動範囲判定部９５は、倒立二輪型移動体１０の旋回方向の判定を行う（Ｓ２０６）。旋回方向が可動範囲内の方向でない場合（Ｓ２０７：Ｎｏ）、ヨー軸旋回角度補正部９６は、ヨー軸旋回角度補正値を制御部９１に出力し、制御部９１は、旋回角度と、ヨー軸旋回角度補正値とに基づいて駆動部９０を制御して、倒立二輪型移動体１０の旋回角速度を低速にする（Ｓ２０８）。

ステップＳ２０４で判定結果がヨー軸旋回角度閾値を超ない場合（Ｓ２０４：Ｎｏ）、およびステップＳ２０７で旋回方向が可動範囲内の方向であった場合（Ｓ２０７：Ｙｅｓ）は、ヨー軸旋回角度補正部９６は、ヨー軸旋回角度補正値を制御部９１に出力せず、制御部９１は、旋回角度に基づいて駆動部９０を通常制御する（Ｓ２０５）。

１…車両本体１０…倒立二輪型移動体２Ｒ，２Ｌ…車輪４…操作ハンドル４ａ…基端１０…倒立二輪型移動体８０…モニタ（表示部）９０…駆動部９０Ｒ，９０Ｌ…モータ９１…制御部９２…リーン角度検出部９３…旋回角度算出部９４…ヨー軸旋回角度算出部９５…可動範囲判定部９６…ヨー軸旋回角度補正部１００…バランス訓練システムＨ…搭乗者Ｐ…領域ＰＴ…補助者Ｑ…領域

Claims

車体を傾けることにより移動する倒立二輪型移動体を用いたバランス訓練システムであって、
前記車体が有する車輪を駆動する駆動部と、
前記車体のリーン角度を検出するリーン角度検出部と、
前記リーン角度に基づいて前記車体が旋回する旋回角度を算出する旋回角度算出部と、
前記車体のヨー軸旋回角度を算出するヨー軸旋回角度算出部と、
前記ヨー軸旋回角度と予め設定されたヨー軸旋回角度閾値とを比較して比較結果を判定する可動範囲判定部と、
前記比較結果に基づいて前記旋回角度が閾値を超えた場合に前記旋回角度を補正する補正値を算出するヨー軸旋回角度補正部と、
前記旋回角度と前記補正値に基づいて前記駆動部を制御する制御部と、を有する、
バランス訓練システム。