JP6665533B2

JP6665533B2 - 倒立二輪車

Info

Publication number: JP6665533B2
Application number: JP2016001631A
Authority: JP
Inventors: 大河清水; 将久大槻; 高橋　正浩; 正浩高橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-01-07
Filing date: 2016-01-07
Publication date: 2020-03-13
Anticipated expiration: 2036-01-07
Also published as: JP2017121353A

Description

本発明は、訓練者が搭乗し、バランス訓練を行うための倒立二輪車に関する。

訓練者が搭乗する車両本体と、車両本体に設けられ訓練者が操作する操作ハンドルと、を備え、訓練者がバランス訓練を行う倒立二輪車が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−０３１６６９号公報

ところで、倒立二輪車によってバランス訓練を行う際に、訓練者の操作を補助者が補助することがある。この場合、訓練者の操作には補助者の操作が介入しているため、訓練者自身による操作結果の評価が分かり難くなる。したがって、訓練者の操作に対する補助者の操作の介入度合を定量的に評価できる倒立二輪車に対する要望がある。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、訓練者の操作に対する補助者の操作の介入度合を定量的に評価できる倒立二輪車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、
訓練者が搭乗する車両本体と、
前記車両本体に設けられ訓練者が操作する操作ハンドルと、
前記操作ハンドルの操作量を検出する第１操作量検出手段と、を備え、前記訓練者がバランス訓練を行う倒立二輪車であって、
前記車両本体に設けられ、前記訓練者の補助を行う補助者が操作を行う補助ハンドルと、
前記補助ハンドルの操作量を検出する第２操作量検出手段と、
前記第１操作量検出手段により検出された操作ハンドルの操作量と、前記第２操作量検出手段により検出された補助ハンドルの操作量との比較によって、前記訓練者の操作に対する前記補助者の操作の介入度合を算出する介入度合算出手段と、
を備えることを特徴とする倒立二輪車である。

本発明によれば、訓練者の操作に対する補助者の操作の介入度合を定量的に評価できる倒立二輪車を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る倒立二輪車の概略的な構成を示す概略図である。本発明の一実施形態に係る倒立二輪車の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る介入度算出方法の処理フロー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二輪車の概略的な構成を示す概略図である。
本実施形態に係る倒立二輪車１は、例えば、倒立状態を維持しつつ、訓練者の重心移動に応じて所望の走行を行う。例えば、訓練者が車両本体２上で前後方向に重心移動すると倒立二輪車１は前後進する。訓練者が車両本体２上で左右方向へ重心移動すると、倒立二輪車１は左右旋回する。また、訓練者は、車両本体２上で重心移動の大きさを調整することで、倒立二輪車１の加減速度の大きさを調整することができる。例えば、脚の不自由な訓練者は、この倒立二輪車１に搭乗し、重心移動による走行操作を行うことで、バランス訓練などを行うことができる。

倒立二輪車１は、例えば、訓練者が搭乗する車両本体２と、車両本体２に設けられ訓練者が操作する操作ハンドル３と、訓練者の補助を行う補助者が操作を行う補助ハンドル４と、を備えている。

車両本体２の上面には、訓練者の両足が乗るステップ部２１が前後方向へ傾斜可能に設けられている。ステップ部２１には、訓練者の足による第１操作力を検出する第１力覚センサ５が設けられている。第１力覚センサ５は、ステップ部２１の前後の傾斜方向への第１操作力を検出する。車両本体２の側面には、一対の車輪２２が回転可能に設けられている。

操作ハンドル３は、例えば、車両本体２の前方側かつ中央付近に前後方向へ傾斜可能に設けられている。操作ハンドル３は、車両本体２に連結されたハンドルバー部３１と、ハンドルバー部３１の先端に接続され、横方向に延在し訓練者が把持するハンドル部３２と、を有している。

操作ハンドル３のハンドル部３２には、ハンドル部３２に対する第２操作力を検出する第２力覚センサ６が設けられている。第２力覚センサ６は、操作ハンドル３のハンドル部３２の前後の傾斜方向への第２操作力を検出する。

操作ハンドル３のハンドルバー部３１の先端部には、ハンドル部３２の反対側に補助ハンドル４が設けられている。補助ハンドル４は、横方向に延在し補助者が把持するハンドル部４１を有している。

補助ハンドル４のハンドル部４１には、ハンドル部４１に対する第３操作力を検出する第３力覚センサ７が設けられている。第３力覚センサ７は、補助ハンドル４のハンドル部４１の前後の傾斜方向への第３操作力を検出する。

図２は、本実施形態に係る倒立二輪車の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施形態に係る倒立二輪車１は、姿勢センサ８と、一対の回転センサ９と、一対の車輪駆動ユニット１０と、制御装置１１と、第１乃至第３力覚センサ５、６、７と、を備えている。

姿勢センサ８は、車両本体２のステップ部２１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、ヨー角度、ヨー角速度、ヨー角加速度等の姿勢情報を検出する。姿勢センサ８は、例えば、訓練者が重心を前後へ移動させることで生じた車両本体２のステップ部２１のピッチ角度（傾斜角度）を検出し、また、訓練者が重心を左右へ移動させることで生じた車両本体２のステップ部２１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８は、制御装置１１に接続されており、検出した姿勢情報を制御装置１１に対して出力する。なお、姿勢センサ８は、例えば、ジャイロセンサ、加速度センサ、角度センサなどにより構成されている。

各回転センサ９は、車両本体２に設けられた車輪２２の回転角度、回転速度、回転加速度等の回転情報を検出する。回転センサ９は、例えば、エンコーダである。回転センサ９は、制御装置１１に接続されており、検出した回転情報を制御装置１１に対して出力する。

各車輪駆動ユニット１０は、車両本体２に回転可能に設けられた左右一対の車輪２２を駆動することで、車両本体２を走行させる。各車輪駆動ユニット１０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１０は、駆動回路１２を介して制御装置１１に接続されており、制御装置１１からの制御信号（指令値）に応じて、各車輪２２を駆動する。

制御装置１１は、車両本体２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１０を制御して、各車輪２２の回転を制御する。また、制御装置１１は、姿勢センサ８により検出された車両本体２の姿勢情報と、回転センサ９により検出された各車輪２２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１１は、訓練者が重心を前後に移動させたときに、姿勢センサ８により検出された車両本体２のステップ部２１のピッチ角度に応じて、各車輪駆動ユニット１０を介して各車輪２２の回転を制御することで、車両本体２を前進又は後進させる。また、制御装置１１は、訓練者が重心を左右に移動させたときに、姿勢センサ８により検出された車両本体２のステップ部２１のロール角度に応じて、各車輪駆動ユニット１０を制御して左右車輪間で回転差を生じさせ、車両本体２を左旋回又は右旋回させる。

さらに、制御装置１１は、例えば、姿勢センサ８により検出された車両本体２のステップ部２１のピッチ角度に所定の制御ゲインを乗算して、各車輪２２の回転トルクを算出する。そして、制御装置１１は、算出した回転トルクが各車輪２２に生じるように、各車輪駆動ユニット１０を制御する。
これにより、制御装置１１は、車両本体２が傾斜している方向へ各車輪２２を回動させ、車両本体２の重心位置を各車輪２２の車軸を通る鉛直線上へ戻すような倒立制御を行う。また、制御装置１１は、各車輪２２に対して適切な回転トルクを夫々付加することで、車両本体２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８からの姿勢情報に応じて、前進、後進、停止、減速、加速、左旋回、右旋回等の車両本体２の移動制御を行うことができる。

上述のような車両制御の構成により、車両本体２は、例えば、訓練者が重心を前後に移動させ車両本体２のステップ部２１を前後に傾斜させることで前進後退を行い、訓練者が重心を左右に移動させ車両本体２のステップ部２１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。

なお、制御装置１１は、例えば、制御処理、演算処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）１１ａ、ＣＰＵ１１ａ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）１１ｂ、処理データ等を一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）１１ｃ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。

ところで、倒立二輪車によってバランス訓練を行う際に、訓練者の操作ハンドルの操作を補助者が補助ハンドルによって補助することがある。この場合、訓練者の操作には補助者の操作が介入しているため、訓練者自身による操作結果の評価が分かり難くなる。したがって、訓練者の操作に対する補助者の操作の介入度合を定量的に評価できる倒立二輪車に対する要望がある。

これに対し、本実施形態に係る倒立二輪車１において、訓練者の操作ハンドル３の操作量と、補助者の補助ハンドル４の操作量との比較によって、訓練者の操作に対する補助者の操作の介入度合を算出する。これにより、訓練者の操作に対する補助者の操作の介入度合を定量的に評価できる。

制御装置１１は、介入度合算出手段、第１及び第２操作量検出手段の一具体例である。制御装置１１は、第１乃至第３力覚センサ５、６、７から出力される第１乃至第３操作力に基づいて、訓練者の操作ハンドル３の操作に対する補助者の補助ハンドル４の操作の介入度合を算出する。

例えば、制御装置１１は、第１力覚センサ５から出力される第１操作力に基づいて、車両本体２を前後方向に傾斜させるステップ部２１の第１モーメント力Ｂ［Ｎｍ］を算出する。さらに、制御装置１１は、車両本体２のステップ部２１の第１モーメント力Ｂ［Ｎｍ］を時間で積分することで、車両本体２のステップ部２１の操作量∫Ｂｄｔを算出する。

制御装置１１は、第２力覚センサ６から出力される第２操作力に基づいて、車両本体２を前後方向に傾斜させる操作ハンドル３の第２モーメント力Ａ_ｄ［Ｎｍ］を算出する。さらに、制御装置１１は、操作ハンドル３の第２モーメント力Ａ_ｄ［Ｎｍ］を時間で積分することで、操作ハンドル３の操作量∫Ａ_ｄｄｔを算出する。

制御装置１１は、第３力覚センサ７から出力される第３操作力に基づいて、車両本体２を前後方向に傾斜させる補助ハンドル４の第３モーメント力Ａ_ｐ［Ｎｍ］を算出する。さらに、制御装置１１は、補助ハンドル４の第３モーメント力Ａ_ｐ［Ｎｍ］を時間で積分することで、補助ハンドル４の操作量∫Ａ_ｐｄｔを算出する。

制御装置１１は、訓練者の操作ハンドル３の操作量∫Ａ_ｄｄｔと、補助者の補助ハンドル４の操作量∫Ａ_ｐｄｔと比較によって、訓練者の操作に対する補助者の操作の介入度合を算出する。
例えば、制御装置１１は、訓練者の操作ハンドル３の操作量∫Ａ_ｄｄｔと、補助者の補助ハンドル４の操作量∫Ａ_ｐｄｔと、の比を、訓練者の操作に対する補助者の操作の介入度合として算出する。
また、制御装置１１は、補助者の補助ハンドル４の操作量∫Ａ_ｐｄｔと、訓練者の操作ハンドル３の操作量∫Ａ_ｄｄｔ、ステップ部２１の操作量∫Ｂｄｔ、及び補助者の補助ハンドル４の操作量∫Ａ_ｐｄｔの総和と、の比を、訓練者の操作に対する補助者の操作の介入度合として算出してもよい。

図３は、本実施形態に係る介入度算出方法の処理フローを示すフローチャートである。
第１乃至第３力覚センサ５、６、７は、第１乃至第３操作力を検出し、制御装置１１に出力する（ステップＳ１０１）。

制御装置１１は、第１乃至第３力覚センサ５、６、７からの第１乃至第３操作力に基づいて、第１乃至第３モーメント力Ｂ、Ａ_ｄ、Ａ_ｐを算出する（ステップＳ１０２）。
制御装置１１は、算出した第３モーメント力が０より大きいと判定すると（ステップＳ１０３のＹＥＳ）、訓練者の操作ハンドル３の操作に対して補助者の補助ハンドル４の操作の介入があったと判定する（ステップＳ１０４）。制御装置１１は、下記式に用いて補助者の介入度合を算出する（ステップＳ１０５）。
介入度合＝∫Ａ_ｐｄｔ／（∫Ａ_ｄｄｔ＋∫Ｂｄｔ＋∫Ａ_ｐｄｔ）

制御装置１１は、算出した第３モーメント力Ａ_ｐが０である判定すると（ステップＳ１０３のＮＯ）、∫（｜Ａ_ｄ＋Ｂ｜）ｄｔが閾値より大きい否かを判定する（ステップＳ１０６）。なお、閾値は、訓練者のみが走行操作を行い補助者が介入しないときの∫（｜Ａ_ｄ＋Ｂ｜）ｄｔを算出し、その算出した値に基づいて設定されている。

制御装置１１は、∫（｜Ａ_ｄ＋Ｂ｜）ｄｔが閾値より大きいと判定すると（ステップＳ１０６のＹＥＳ）、訓練者の操作以外の操作が介入していると判断する（ステップＳ１０７）。制御装置１１は、その訓練者の操作力以外の操作力の操作量（∫（Ａｄ−Ｂ）ｄｔ＝∫Ａｎｄｔ）を算出する（ステップＳ１０８）。制御装置１１は、下記式に用いて訓練者の操作以外の操作の介入度合を算出する（ステップＳ１０９）。
介入度合＝∫Ａｎｄｔ／（∫Ａ_ｄｄｔ＋∫Ｂｄｔ＋∫Ａｎｄｔ）

制御装置１１は、∫（｜Ａ_ｄ＋Ｂ｜）ｄｔが閾値より大きくないと判定すると（ステップＳ１０６のＮＯ）、訓練者のみの操作と判定する（ステップＳ１１０）。この場合、制御装置１１は、介入度合＝０とする（ステップＳ１１１）。

以上、本実施形態に係る倒立二輪車１において、訓練者の操作ハンドル３の操作量と、補助者の補助ハンドル４の操作量との比較によって、訓練者の操作に対する補助者の操作の介入度合を算出する。これにより、訓練者の操作に対する補助者の操作の介入度合を定量的に評価できる。

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。

１倒立二輪車、２車両本体、３操作ハンドル、４補助ハンドル、５力覚センサ、６力覚センサ、７力覚センサ、８姿勢センサ、９回転センサ、１０車輪駆動ユニット、１１制御装置、１２駆動回路、２１ステップ部、２２車輪、３１ハンドルバー部、３２ハンドル部、４１ハンドル部

Claims

訓練者が搭乗する車両本体と、
前記車両本体に設けられ訓練者が操作する操作ハンドルと、
前記操作ハンドルの操作量を検出する第１操作量検出手段と、を備え、前記訓練者がバランス訓練を行う倒立二輪車であって、
前記車両本体に設けられ、前記訓練者の補助を行う補助者が操作を行う補助ハンドルと、
前記補助ハンドルの操作量を検出する第２操作量検出手段と、
前記第１操作量検出手段により検出された操作ハンドルの操作量と、前記第２操作量検出手段により検出された補助ハンドルの操作量との比較によって、前記訓練者の操作に対する前記補助者の操作の介入度合を算出することで、該補助者の介入度合を定量的に評価する介入度合算出手段と、
を備えることを特徴とする倒立二輪車。