JP6610265B2 - 倒立二輪車 - Google Patents

Description

本発明は、倒立二輪車に関し、特に、搭乗者を乗せて倒立状態を維持したまま走行可能な倒立二輪車に関する。

特許文献１には、倒立状態を維持したまま安定して旋回することが可能な倒立二輪車が開示されている。特許文献１にかかる倒立二輪車は、センサを用いて検出した搭乗者の乗車状態に応じて、その動作を制御する。

特開２０１４−１８４８８９号公報

倒立二輪車が車輪を制御していない状態のとき、倒立二輪車は倒立状態を維持することができないおそれがある。そこで、倒立二輪車が車輪を制御していない状態のときに倒立二輪車の倒立状態を維持するために倒立二輪車を支持する支持部材が、倒立二輪車に設けられ得る。ここで、支持部材は、倒立二輪車の走行中に走行の妨げとならないような位置（第１の位置）にする必要がある。一方、支持部材が倒立二輪車の倒立状態を維持しているとき、支持部材は、先端が地面の側つまり下側を向いた位置（第２の位置）にある。

ここで、支持部材を第１の位置から第２の位置に移動させたときに、支持部材が車体又は地面に当たって振動が発生する。このとき、その振動が乗車状態（又は車体の姿勢）を検知するセンサに伝達される。そうすると、そのセンサからの信号は、乗車状態（又は車体の姿勢）を示す信号にその振動によるノイズが重畳された状態となる。このノイズを含む信号を用いて倒立二輪車の車輪を制御すると、動作が不安定となるおそれがある。一方、このようなノイズ成分を除去するためにノイズ除去フィルタを用いる方法がある。しかしながら、ノイズ除去フィルタを用いると、車輪の制御の際の応答性が悪くなってしまう。

本発明は、車輪を制御している状態から制御していない状態に切り替わるときの姿勢を安定させることと、車輪を制御している状態のときの応答性の悪化を抑制することとを両立させることが可能な倒立二輪車を提供することにある。

本発明にかかる倒立二輪車は、搭乗者を乗せて倒立状態を維持したまま走行可能な倒立二輪車であって、車体と、車輪と、前記車輪を駆動するモータと、前記車体の姿勢を検知する姿勢検知部と、前記検知された前記車体の姿勢に応じて前記モータの動作を制御する制御部と、前記車体に回転可能に設けられ、前記制御部が前記モータの制御を行っていない場合に前記倒立二輪車が倒立状態を維持するように前記倒立二輪車を支持可能な支持部材と、前記支持部材の状態を検知する状態検知部とを有し、前記支持部材は、当該支持部材の先端が下方を向いた位置であって前記倒立二輪車を支持可能な位置である下方位置と、前記倒立二輪車が走行中に走行を妨げない程度に当該支持部材の先端が前記下方位置よりも上方を向いた上方位置との間で回転可能であり、前記制御部は、前記姿勢検知部からの信号のうちノイズ成分を含む信号を除去するノイズ除去フィルタと、前記状態検知部によって検知された前記支持部材の状態に応じて、前記ノイズ除去フィルタを用いるか否かを選択する選択スイッチとを有する。

本発明によれば、車輪を制御している状態から制御していない状態に切り替わるときの姿勢を安定させることと、車輪を制御している状態のときの応答性の悪化を抑制することとを両立させることが可能な倒立二輪車を提供できる。

実施の形態１にかかる倒立二輪車を示す概略図である。 図１に示した倒立二輪車の詳細を示す図である。 実施の形態１にかかる制御部の構成を示す図である。

（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。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

図１は、実施の形態１にかかる倒立二輪車１を示す概略図である。倒立二輪車１は、車体１０と、車輪４と、ステップ６と、ハンドル８とを有する。車輪４は、車体１０の左右に設けられている。倒立二輪車１は、搭乗者９０を乗せて倒立状態を維持したまま、地面８０を走行可能である。

具体的には、ステップ６に搭乗者９０が乗り、搭乗者９０が体重移動をすることで車体１０が傾く。倒立二輪車１は、その車体１０の傾きに応じて、車輪４の回転動作（回転速度及び回転方向）を制御する。また、搭乗者９０は、倒立二輪車１に乗車しているときにハンドル８を把持することが可能である。また、搭乗者９０がハンドル８を左右に回転させることに応じて、倒立二輪車１が旋回してもよい。

図２は、図１に示した倒立二輪車１の詳細を示す図である。車体１０の前側には、支持部材１２が設けられている。支持部材１２は、車体１０に回転可能に設けられている。具体的には、支持部材１２の回転軸１２ａが、車体１０に支持されている。そして、支持部材１２は、回転軸１２ａに回転可能に支持されている。搭乗者９０がリハビリを行う患者等である場合、支持部材１２は、例えば、搭乗者９０を介助する介助者によって操作され得る。なお、介助者は、倒立二輪車１には乗車しない。

倒立二輪車１が車輪４の動作を制御していないとき、倒立二輪車１は前方向（ピッチ方向）に倒れ得る。この場合、支持部材１２は、先端１２ｂが下方向つまり地面８０の方向を向いた状態（図２で破線で示した状態）となり得る。この状態の位置を下方位置１２Ａと称する。支持部材１２の位置が下方位置１２Ａである場合、倒立二輪車１が前方向に少し傾くと（又は傾かなくても）、支持部材１２の先端１２ｂが地面８０に当たる。これにより、支持部材１２は、倒立二輪車１の倒立状態を維持するように、倒立二輪車１を支持する。つまり、支持部材１２の位置が下方位置１２Ａにある場合に、支持部材１２は、倒立二輪車１を支持可能である。

一方、倒立二輪車１が走行中のときは、走行の妨げとならない程度に、支持部材１２は、先端１２ｂが下方位置１２Ａよりも上方に向いた状態となっている（図２の実線で示した状態）。この状態の位置を上方位置１２Ｂと称する。支持部材１２は、矢印Ａで示すように、下方位置１２Ａと上方位置１２Ｂとの間で回転可能である。

車体１０には、姿勢検知部１４、旋回検知部１５、状態検知部１６、電源スイッチ１７及び制御部２０が設けられている。また、車体１０には、車輪４を駆動させるモータ１８が設けられている。制御部２０は、姿勢検知部１４、旋回検知部１５及び状態検知部１６からの信号に応じて、モータ１８の動作を制御する。

姿勢検知部１４は、例えばジャイロセンサ又は加速度センサ等の慣性センサであって、車体１０の姿勢つまり傾き（傾斜角度及び傾斜方向）を検知する。例えば、姿勢検知部１４は、車体１０の前後方向（ピッチ方向）の傾きを検知する。姿勢検知部１４は、車体１０の姿勢を示す信号（姿勢センサ信号）を、制御部２０に送信する。

制御部２０は、姿勢センサ信号つまり車体１０の姿勢（傾き）に応じて、モータ１８の動作（回転数及び回転方向）を制御する。例えば、搭乗者が前方に体重移動をすることに伴って車体１０が前方に傾くと、姿勢検知部１４は、車体１０の前方への傾斜及びその傾斜角度を検知する。制御部２０は、車体１０が前方へ傾斜している場合は、モータ１８を、倒立二輪車１が前方へ進む方向（正方向）に回転させるように制御する。また、制御部２０は、車体１０の傾斜角度に応じて、モータ１８の回転数を制御する。これによって、搭乗者９０は、倒立二輪車１の移動速度を調整できる。

ここで、支持部材１２が上方位置１２Ｂから下方位置１２Ａに移動すると、支持部材１２が車体１０の側面１０ａに衝突する。また、支持部材１２の位置が下方位置１２Ａであるときに先端１２ｂが地面８０に接触するような場合では、支持部材１２が上方位置１２Ｂから下方位置１２Ａに移動したときに、支持部材１２の先端１２ｂが地面８０に衝突する。このような場合、支持部材１２の衝突によって、車体１０に振動が発生する。このとき、車体１０の振動が姿勢検知部１４に伝達される。これにより、姿勢検知部１４は車体１０の姿勢だけでなく振動も検出してしまう。これにより、姿勢検知部１４から送信される姿勢センサ信号には、車体１０の姿勢を示す信号（波形）に、車体１０の振動によって生じる、高周波数及び振幅大のノイズ成分が重畳されることとなる。以下に説明するように、本実施の形態にかかる倒立二輪車１は、このように姿勢センサ信号にノイズ成分が含まれる可能性がある場合であっても、適切に動作を制御することが可能である。

状態検知部１６は、支持部材１２の状態を検知する。状態検知部１６は、支持部材１２の状態を示す信号（状態センサ信号）を、制御部２０に送信する。具体的には、例えば、状態検知部１６は、支持部材１２の位置が下方位置１２Ａであるか否かを検知する。状態検知部１６は、支持部材１２の位置が下方位置１２Ａであることを検知した場合に、その旨を示す状態センサ信号を、制御部２０に送信する。さらに具体的には、例えば、状態検知部１６は、車体１０の側面１０ａから支持部材１２までの距離を測定するセンサであってもよいし、支持部材１２の回転角度を検出するポテンショメータであってもよい。さらに、状態検知部１６は、車体１０の側面１０ａに設けられたスイッチであってもよく、支持部材１２がこのスイッチに接触した場合に、状態検知部１６は、支持部材１２の位置が下方位置１２Ａであることを検知してもよい。

旋回検知部１５は、ハンドル８の回転方向及び回転角度を検知して、その検知した回転方向及び回転角度を示す信号（旋回信号）を制御部２０に送信する。具体的には、旋回検知部１５は、ハンドル８から、ハンドル８の回転方向及び回転角度を示す旋回信号を取得して、制御部２０に送信する。

ここで、旋回検知部１５は、ポテンショメータ等であってもよい。また、旋回検知部１５は、車体１０に設けられていなくてもよく、ハンドル８の近傍に設けられてもよい。制御部２０は、旋回信号つまりハンドル８の回転方向及び回転角度に応じて、倒立二輪車１を旋回させるように制御する。なお、倒立二輪車１の旋回動作は、例えばモータ１８が左右の車輪４のそれぞれに設けられている場合には、左右の車輪４の回転速度及び回転方向の少なくとも一方を独立して制御することで行うことができるが、これに限られない。

電源スイッチ１７は、モータ１８の電源をオン又はオフするためのスイッチである。電源スイッチ１７は、例えば車体１０の側面に設置されているが、これに限られない。電源スイッチ１７は、介助者によって操作され得る。

電源スイッチ１７がオンすると、モータ１８の電源がオンするので、制御部２０は、モータ１８の動作を制御する。この場合、車輪４がモータ１８によって駆動されるので、倒立二輪車１は、倒立状態を維持するように制御を行っている。この状態を「動安定」と称する。

一方、電源スイッチ１７がオフすると、モータ１８の電源がオフするので、制御部２０は、モータ１８の動作を制御しない。この場合、車輪４がモータ１８によって駆動されないので、倒立二輪車１は、倒立状態を維持するように制御を行わず、したがって倒立状態を維持できない。このとき、本実施の形態においては、支持部材１２が下方位置１２Ａにあることによって、倒立二輪車１は、倒立状態を維持することができる。この状態を「静安定」と称する。

搭乗者９０が倒立二輪車１に乗車して倒立二輪車１を操作するときに、支持部材１２は、介助者によって上方位置１２Ｂに位置するように操作され得る。このとき、倒立二輪車１を操作するため、電源スイッチ１７はオンとなっている。したがって、倒立二輪車１は動安定の状態となっている。

一方、搭乗者９０が倒立二輪車１の操作を終了し倒立二輪車１から降車するときに、支持部材１２は、介助者によって下方位置１２Ａに位置するように操作され得る。これにより、搭乗者９０が降車するときに、倒立二輪車１の倒立状態が維持されるので、搭乗者９０は容易に倒立二輪車１から降車することができる。

図３は、実施の形態１にかかる制御部２０の構成を示す図である。制御部２０は、選択スイッチ２２、高応答フィルタ２４、ノイズ除去フィルタ２６、旋回許可判定部２８及び動作制御部３０を有する。高応答フィルタ２４及びノイズ除去フィルタ２６は、選択スイッチ２２と動作制御部３０との間に設けられている。

ノイズ除去フィルタ２６は、例えば高周波除去フィルタであって、姿勢検知部１４からの姿勢センサ信号のうち、ノイズ成分を含む信号を除去する。一方、ノイズ除去フィルタ２６を用いると、モータ１８を制御する際の応答性が悪くなる。これに対し、高応答フィルタ２４は、ノイズ除去フィルタ２６よりも高い応答性を有するフィルタである。一方、高応答フィルタ２４は、ノイズ成分を含む信号を除去できない。

選択スイッチ２２は、状態センサ信号に応じて、姿勢検知部１４からの姿勢センサ信号を、高応答フィルタ２４を介して動作制御部３０に送信するか、又はノイズ除去フィルタ２６を介して動作制御部３０に送信するかを選択する。つまり、選択スイッチ２２は、状態センサ信号に応じて、高応答フィルタ２４を用いるか、又はノイズ除去フィルタ２６を用いるかを選択する。言い換えると、選択スイッチ２２は、状態検知部１６によって検知された支持部材１２の状態に応じて、ノイズ除去フィルタ２６を用いるか否かを選択するスイッチである。

具体的には、選択スイッチ２２が「支持部材１２の位置が下方位置１２Ａである」ことを示す状態センサ信号を受信していない場合、選択スイッチ２２は、高応答フィルタ２４を選択する。言い換えると、この場合、選択スイッチ２２は、ノイズ除去フィルタ２６を選択しない。この場合、姿勢検知部１４からの姿勢センサ信号は、高応答フィルタ２４を介して、動作制御部３０に送信される。なお、状態センサ信号が「支持部材１２の位置が下方位置１２Ａにない」ことを示す場合に、選択スイッチ２２は、高応答フィルタ２４を選択してもよい。

一方、選択スイッチ２２が、「支持部材１２の位置が下方位置１２Ａである」ことを示す状態センサ信号を受信した場合、選択スイッチ２２は、ノイズ除去フィルタ２６を選択する。言い換えると、この場合、選択スイッチ２２は、ノイズ除去フィルタ２６を選択する。この場合、姿勢検知部１４からの姿勢センサ信号は、ノイズ除去フィルタ２６を介して、動作制御部３０に送信される。

動作制御部３０は、高応答フィルタ２４又はノイズ除去フィルタを介して姿勢センサ信号を受信する。そして、動作制御部３０は、受信した姿勢センサ信号に応じて、上述したようにモータ１８の動作（回転方向及び回転速度）を制御する。また、動作制御部３０は、旋回検知部１５からの旋回信号に応じて、上述したように倒立二輪車１の旋回動作を制御する。

ここで、高応答フィルタ２４を介して姿勢センサ信号が受信された場合、動作制御部３０は、姿勢センサ信号を用いて高い応答性でモータ１８を制御する。一方、ノイズ除去フィルタ２６を介して姿勢センサ信号が受信された場合、ノイズ除去フィルタ２６でノイズを含む信号が除去される。したがって、動作制御部３０における応答性は、高応答フィルタ２４を用いた場合と比較して低くなる。

高応答フィルタ２４が選択される場合とは、支持部材１２の位置が下方位置１２Ａでない場合であるので、支持部材１２の位置は、上方位置１２Ｂ（又は上方位置１２Ｂと下方位置１２Ａとの間）である。この場合、倒立二輪車１は、モータ１８の制御を行って走行する状態つまり動安定の状態にある。つまり、制御部２０は、姿勢検知部１４からの姿勢センサ信号を用いて、高い応答性でモータ１８を制御する必要がある。ここで、本実施の形態においては、倒立二輪車１がモータ１８の制御を行って走行する状態のときに、高応答フィルタ２４が選択されるので、制御部２０は、姿勢センサ信号を用いて高い応答性でモータ１８を制御することができる。

一方、ノイズ除去フィルタ２６が選択される場合とは、支持部材１２の位置が下方位置１２Ａにある場合である。このとき、上述したように、支持部材１２の衝突によって車体１０に振動が発生し、その振動によって、姿勢検知部１４からの姿勢センサ信号にノイズ成分が含まれる可能性がある。このノイズ成分を含む姿勢センサ信号をそのまま用いてモータ１８を制御すると、モータ１８が意図しない動作を行うおそれがあり、倒立二輪車１の姿勢が不安定となるおそれがある。ここで、本実施の形態においては、この場合にノイズ除去フィルタ２６が選択されるので、ノイズ除去フィルタ２６を用いてノイズ成分を含む姿勢センサ信号が除去される。したがって、支持部材１２の衝突により倒立二輪車１の制御を不安定にすることを抑制することが可能となる。したがって、本実施の形態にかかる倒立二輪車１においては、車輪４を制御している状態から制御していない状態に切り替えるときの姿勢を安定させることと、車輪４を制御している状態のときの応答性の悪化を抑制することとを両立させることが可能である。

なお、ノイズ除去フィルタ２６が選択される場合とは、支持部材１２の位置が下方位置１２Ａにある場合であるので、間もなく倒立二輪車１の動作が停止する状態である。つまり、支持部材１２が下方位置１２Ａに移動すると、介助者によって電源スイッチ１７がオフとなり、モータ１８の制御が停止する。これにより、倒立二輪車１の倒立制御は行われないが、倒立二輪車１は支持部材１２によって静安定の状態となり、搭乗者９０が降車する。つまり、ノイズ除去フィルタ２６が選択される場合に、倒立二輪車１は、走行のためにモータ１８を制御することはほとんどない。したがって、ノイズ除去フィルタ２６が選択され、モータ１８を制御する際の応答性が低くなったとしても、問題はほとんどない。

旋回許可判定部２８は、旋回検知部１５と動作制御部３０との間に設けられている。旋回許可判定部２８は、「支持部材１２の位置が下方位置１２Ａである」ことを示す状態センサ信号を受信していない場合に、旋回動作を許可すると判定する。この場合、旋回許可判定部２８は、旋回信号を動作制御部３０に送信し、動作制御部３０は旋回動作を制御する。一方、旋回許可判定部２８は、「支持部材１２の位置が下方位置１２Ａである」ことを示す状態センサ信号を受信した場合に、旋回動作を禁止すると判定する。この場合、旋回許可判定部２８は、旋回信号を動作制御部３０に送信しない。したがって、動作制御部３０は、旋回動作の制御を行わない。

上述したように、支持部材１２の位置が下方位置１２Ａである場合、間もなく倒立二輪車１の動作が停止する状態である。この場合、倒立二輪車１は、走行のためにモータ１８を制御することはほとんどない。したがって、制御部２０が旋回動作を行うことは不要である。本実施の形態にかかる倒立二輪車１においては、支持部材１２の位置が下方位置１２Ａである場合に旋回動作が禁止されるので、例えば搭乗者９０が誤ってハンドル８を動かしてしまった場合であっても、意図しない旋回動作を行うことを抑制することが可能である。

（変形例）
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、図２において、支持部材１２は車体１０の前側に設けられているとしたが、これに限られない。支持部材１２は、車体１０の後側に設けられてもよいし、車体１０の前後両側に設けられてもよい。

また、上述した実施の形態においては、ハンドル８を用いて旋回動作のための操作を行うとしたが、このような構成に限られない。車体１０が左右に傾くような構成である場合には、搭乗者９０が旋回させたい方向に体重移動をすることで、車体１０は左右に傾く。そして、姿勢検知部１４は、車体１０の前後の傾きだけでなく左右の傾きを検知して、その左右の傾きに応じて制御部２０が旋回動作を行うようにしてもよい。なお、この場合、左右の傾きを示す姿勢センサ信号は、状態センサ信号に応じて、高応答フィルタ２４又はノイズ除去フィルタ２６を介して動作制御部３０に送信され得る。

また、図３において、選択スイッチ２２は、高応答フィルタ２４及びノイズ除去フィルタ２６の上流側にあるとしたが、このような構成に限られない。選択スイッチ２２は、高応答フィルタ２４及びノイズ除去フィルタ２６の下流側にあってもよい。

また、上述した実施の形態においては、選択スイッチ２２は、高応答フィルタ２４又はノイズ除去フィルタ２６を選択するとしたが、高応答フィルタ２４は必ずしも必要ではない。つまり、選択スイッチ２２が「支持部材１２の位置が下方位置１２Ａである」ことを示す状態センサ信号を受信しない場合には、姿勢センサ信号は、フィルタを介さずに、直接、動作制御部３０に送信されてもよい。

また、上述した実施の形態においては、状態検知部１６は、支持部材１２の位置を検知するとしたが、状態検知部１６は、支持部材１２の速度を検知してもよい。支持部材１２が車体１０等に衝突するとき、支持部材１２の速度が大きいほど、車体１０の振動は大きくなる。したがって、支持部材１２の速度が大きいほど、姿勢センサ信号に重畳されるノイズの大きさは大きくなる。

したがって、支持部材１２の速度がある閾値未満である場合（つまり車体１０の振動が小さい場合）には、支持部材１２の位置が下方位置１２Ａである場合であっても、選択スイッチ２２は、ノイズ除去フィルタ２６を選択しない（高応答フィルタ２４を選択する）ようにしてもよい。一方、支持部材１２の速度が閾値以上である場合（つまり車体１０の振動が大きい場合）であって、支持部材１２の位置が下方位置１２Ａである場合に、選択スイッチ２２は、ノイズ除去フィルタ２６を選択するようにしてもよい。これによって、支持部材１２の位置が下方位置１２Ａである場合であっても車体１０の振動が小さいときに、高応答フィルタ２４を使い続けることができ、したがって、モータ１８の制御の際の応答性を低下させることを抑制することが可能となる。

また、上述した実施の形態においては、電源スイッチ１７によってモータ１８の電源をオフするとしたが、このような構成に限られない。例えば、支持部材１２の位置が下方位置１２Ａとなったときに、自動的にモータ１８の電源をオフするようにしてもよい。この場合、電源スイッチ１７は不要となる。

１ 倒立二輪車
４ 車輪
８ ハンドル
１０ 車体
１２ 支持部材
１２Ａ 下方位置
１２Ｂ 上方位置
１４ 姿勢検知部
１５ 旋回検知部
１６ 状態検知部
１７ 電源スイッチ
１８ モータ
２０ 制御部
２２ 選択スイッチ
２４ 高応答フィルタ
２６ ノイズ除去フィルタ
２８ 旋回許可判定部
３０ 動作制御部

Claims (1)

1. 搭乗者を乗せて倒立状態を維持したまま走行可能な倒立二輪車であって、
   車体と、
   車輪と、
   前記車輪を駆動するモータと、
   前記車体の姿勢を検知する姿勢検知部と、
   前記検知された前記車体の姿勢に応じて前記モータの動作を制御する制御部と、
   前記車体に回転可能に設けられ、前記制御部が前記モータの制御を行っていない場合に前記倒立二輪車が倒立状態を維持するように前記倒立二輪車を支持可能な支持部材と、
   前記支持部材の状態を検知する状態検知部と
   を有し、
   前記支持部材は、当該支持部材の先端が下方を向いた位置であって前記倒立二輪車を支持可能な位置である下方位置と、前記倒立二輪車が走行中に走行を妨げない程度に当該支持部材の先端が前記下方位置よりも上方を向いた上方位置との間で回転可能であり、
   前記制御部は、
   前記姿勢検知部からの信号のうちノイズ成分を含む信号を除去するノイズ除去フィルタと、
   前記状態検知部によって検知された前記支持部材の状態に応じて、前記ノイズ除去フィルタを用いるか否かを選択する選択スイッチと
   を有する
   倒立二輪車。

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