JP6699443B2 - 走行装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ユーザが搭乗して走行する走行装置に関する。
近年、パーソナルモビリティが脚光を浴びている。パーソナルモビリティは、小回りを優先させて小型に製造されることが多く、そのために高速走行時の安定性には欠けるという課題があった。パーソナルモビリティに限らず、高速走行時の安定性を高める観点から、ホイールベース長を調整できる車輌が提案されている(例えば、特許文献1、2を参照)。
特開平1−106717号公報 特開2005−231415号公報
ホイールベース長が調整できるこれまでに提案されている車輌は、ホイールベース長に応じて最高速度を制限するに留まり、その制限された速度範囲内で運転者は速度調整を行っていた。このようなインタフェースは、ホイールベース長の調整と速度調整の両方を運転者に強いるもので、操作性として煩雑であった。しかも、旋回時にはバランスを保つために適切な減速調整を行う必要があり、不慣れな運転者には難しい運転操作となっていた。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、ユーザに煩雑な運転操作をさせることなく、低速走行時の小回りの良さと高速走行時の安定性を両立しつつ、安全かつ容易に旋回できる走行装置を提供するものである。
本発明の一態様における走行装置は、走行方向に対して少なくとも前輪と後輪を有し、ユーザが搭乗して走行する走行装置であって、前輪を回転可能に支持する前輪支持部材と、後輪を回転可能に支持する後輪支持部材と、前輪および後輪の少なくともいずれかを駆動する駆動部と、ユーザが前輪支持部材と後輪支持部材の相対位置を変化させることにより、前輪と後輪のホイールベース長を調整する調整機構と、前輪および後輪の少なくともいずれかの車輪方向を変化させて直進方向に対する走行装置の旋回角度を操作するハンドル部と、駆動部を制御する制御部とを備え、制御部は、旋回角度が同じ場合に、第1ホイールベース長に対応付けられた第1目標速度が、第1ホイールベース長よりも長い第2ホイールベース長に対応付けられた第2目標速度を上回らないように設定され、かつ、ホイールベース長が同じ場合に、第1旋回角度に対応付けられた第3目標速度が、第1旋回角度より小さい第2旋回角度に対応付けられた第4目標速度を上回らないように設定された目標速度に基づいて駆動部を制御する。
このような構成により、走行装置の速度とホイールベース長が互いに好ましい関係に自動的に調整される。したがって、ユーザは、速度に対する指示とホイールベース長に対する指示を2段階に与える必要がない。また、旋回時にはホイールベース長に応じて自動的に減速調整が行われるので、安全かつ容易に旋回できる。
本発明により、ユーザに煩雑な運転操作をさせることなく、低速走行時の小回りの良さと高速走行時の安定性を両立しつつ、安全かつ容易に旋回できる走行装置を提供できる。
本実施形態に係る走行装置の低速走行時における側面概観図である。 走行装置の上面概観図である。 走行装置の旋回の様子を示す上面概観図である。 走行装置の高速走行時における側面概観図である。 走行装置の制御ブロック図である。 回転角、旋回角と目標速度の関係を示すグラフである。 他の例の回転角、旋回角と目標速度の関係を示すテーブルである。 走行中の処理を示すフロー図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。
図1は、本実施形態に係る走行装置100の低速走行時における側面概観図であり、図2は、図1の状態における走行装置100を上方から観察した上面概観図である。なお、図2では、図1において点線で示すユーザ900を省いている。
走行装置100は、パーソナルモビリティの一種であり、ユーザが立って搭乗することを想定した電動式の移動用車輌である。走行装置100は、走行方向に対して1つの前輪101と2つの後輪102(右側後輪102a、左側後輪102b)を備える。前輪101は、ユーザ900がハンドル115を操作することで向きが変わり、操舵輪として機能する。右側後輪102aと左側後輪102bは、車軸103で連結されており、不図示のモータと減速機構によって駆動されて、駆動輪として機能する。走行装置100は、3つの車輪によって3点で接地しており、ユーザ900が搭乗していない駐機状態でも自立する、静的安定車輌である。
前輪101は、前輪支持部材110により回転可能に支持されている。前輪支持部材110は、前側支柱111とフォーク112を含む。フォーク112は、前側支柱111の一端側に固定されており、前輪101を両側方から挟んで回転自在に軸支している。前側支柱111の他端側には、ハンドル115が前輪101の回転軸方向に延伸するように固定されている。ユーザ900がハンドル115を旋回操作すると、前側支柱111は、その操作力を伝達して前輪101の向きを変える。
後輪102は、後輪支持部材120により回転可能に支持されている。後輪支持部材120は、後側支柱121と本体部122を含む。本体部122は、後側支柱121の一端側を固定支持すると共に、車軸103を介して右側後輪102aと左側後輪102bを回転自在に軸支している。本体部122は、上述のモータと減速機構、モータに給電するバッテリ等を収容する筐体の機能も担う。本体部122の上面にはユーザ900が足を置くためのステップ141が設けられている。
前輪支持部材110と後輪支持部材120とは、旋回継手131とヒンジ継手132を介して連結されている。旋回継手131は、前輪支持部材110を構成する前側支柱111のうち、ハンドル115が固定された他端寄りの位置に固定されている。さらに、旋回継手131は、ヒンジ継手132に枢設されており、前側支柱111の伸延方向と平行な旋回軸T周りに、ヒンジ継手132と相対的に回動する。ヒンジ継手132は、後輪支持部材120を構成する後側支柱121のうち、本体部122に支持された一端とは反対側の他端と枢設されており、車軸103の伸延方向と平行なヒンジ軸H周りに、後側支柱121と相対的に回動する。
このような構造により、ユーザ900は、ハンドル115を旋回させると、後輪支持部材120に対して旋回軸T周りに前輪支持部材110が旋回して前輪101の向きを変えられる。また、ユーザ900は、ハンドル115を走行方向に対して前方へ傾けると、前輪支持部材110と後輪支持部材120とがヒンジ軸H周りに相対的に回転して、前側支柱111と後側支柱121の成す角を小さくできる。前側支柱111と後側支柱121の成す角が小さくなると、前輪101と後輪102のホイールベース(WB)の間隔であるWB長は短くなる。逆に、ユーザ900は、ハンドル115を走行方向に対して後方へ傾けると、前輪支持部材110と後輪支持部材120とがヒンジ軸H周りに相対的に回転して、前側支柱111と後側支柱121の成す角を大きくできる。前側支柱111と後側支柱121の成す角が大きくなると、WB長は長くなる。
ヒンジ継手132の近傍には、付勢バネ133が取り付けられている。付勢バネ133は、ヒンジ軸H周りに、前側支柱111と後側支柱121の成す角を小さくする回転方向へ付勢力を発揮する。付勢バネ133は、例えば、トーションバネである。付勢バネ133の付勢力は、ユーザ900がハンドル115に触れない場合に、前側支柱111と後側支柱121の成す角が構造上の最小角になるように変化させ、一方で、ユーザ900がハンドル115を走行方向に対して後方へ容易に傾けられる程度に設定されている。したがって、ユーザ900は、ハンドル115への加重およびステップ141への加重の少なくともいずれかを変化させることにより、前側支柱111と後側支柱121の成す角を調整でき、ひいてはWB長を調整できる。
ヒンジ継手132の近傍には、回転角センサ134が取り付けられている。回転角センサ134は、ヒンジ軸H周りに前側支柱111と後側支柱121の成す角を出力する。回転角センサ134は、例えば、ロータリエンコーダである。回転角センサ134の出力は、後述する制御部へ送信される。
同様に、旋回継手131の近傍には、旋回角センサ135が取り付けられている。旋回角センサ135は、旋回軸T周りに前側支柱111と後側支柱121の成す角を出力する。旋回角センサ135は、例えば、ロータリエンコーダである。旋回角センサ135の出力は、後述する制御部へ送信される。
図3は、走行装置100の旋回の様子を示す上面概観図である。ユーザ900がハンドル115を旋回させると、ハンドル115に直結されている前側支柱111も追従して旋回する。前側支柱111は、旋回継手131を介して回動自在に後側支柱121と連結されている。したがって、旋回角センサ135は、旋回軸Tを回転中心とした図示する旋回角φを出力する。
走行装置100は、旋回角φに応じた方向へ向きを変化させて走行する。旋回角が大きくなれば旋回半径は小さくなり、搭乗者であるユーザ900は大きな遠心力を受ける。同じ旋回角であっても、走行速度が大きくなれば、ユーザ900が受ける遠心力は大きくなる。
なお、旋回角センサ135は、直進方向をφ=0とし、直進方向に対して右に旋回する場合に正の角度を出力し、左に旋回する場合に負の角度を出力する。単に旋回角が大きいなどと説明する場合は、絶対値|φ|を表すものとする。また、本実施形態における走行装置100は、一例としてφ=±60度の範囲で旋回させられるものとする。
本実施例における走行装置100は、ユーザ900が旋回角|φ|を大きくすると減速し、大きくすると加速する。つまり、旋回角|φ|に対して目標速度が対応付けられており、旋回角|φ|が変化すると、それに応じた目標速度に到達するように加減速する。
走行装置100は、WB長が短ければ低速で走行し、WB長が長ければ高速で走行する。図1は、WB長が短い低速走行時の様子を示している。図4は、図1と同様の走行装置100の側面概観図であるが、WB長が長い高速走行時の様子を示している。
図示するように、前側支柱111と後側支柱121の成す角を、相対的に開く方向を正として、回転角θとする。また、回転角θが取り得る最小値(最小角)をθMIN、最大値(最大角)をθMAXとする。例えばθMIN=10度でありθMAX=80度である。換言すると、回転角θがθMINとθMAXの範囲に収まるように、構造上の規制部材が設けられている。
WB長は、回転角θと一対一に対応し、WB長=f(θ)の関数により換算できる。したがって、回転角θを変化させることによりWB長を調整できる。本実施例における走行装置100は、ユーザ900が回転角θを大きくすると加速し、小さくすると減速する。つまり、旋回角|φ|に加え、回転角θに対しても目標速度が対応付けられており、回転角θが変化すると、それに応じた目標速度に到達するように加減速する。別言すれば、回転角θを媒介変数としてWB長と目標速度が対応付けられており、ユーザ900がWB長を調整すると、目標速度がそのWB長に応じて変化する構成となっている。
回転角θが小さくなるとWB長が短くなるので、小回りが利く。すなわち、狭い場所でも動き回ることができる。逆に回転角θが大きくなるとWB長が長くなるので、走行安定性、特に直進性が向上する。すなわち、高速で走行しても路面上の段差等による揺動を受けにくい。また、速度とWB長が連動して変化するので、低速なのにWB長が長いような状態になることが無く、その速度で必要最低限な投影面積で移動ができる。すなわち、走行装置100が移動するために必要な路面上の面積が小さく、余分なスペースを必要としない。これは駐機する場合にも特にその効果を発揮する。また、ユーザ900は、ハンドル115を前後に傾ければ、速度とWB長の両方を連動させて変化させることができるので、運転操作としても簡便で容易である。
図5は、走行装置100の制御ブロック図である。制御部200は、例えばCPUであり、本体部122に収容されている。駆動輪ユニット210は、駆動輪である後輪102を駆動するための駆動回路やモータを含み、本体部122に収容されている。制御部200は、駆動輪ユニット210へ駆動信号を送ることにより、後輪102の回転制御を実行する。
車速センサ220は、後輪102または車軸103の回転量を監視して、走行装置100の速度を検出する。車速センサ220は、制御部200の要求に応じて、検出結果を速度信号として制御部200へ送信する。回転角センサ134は、上述のように、回転角θを検出する。回転角センサ134は、制御部200の要求に応じて、検出結果を回転角信号として制御部200へ送信する。旋回角センサ135は、上述のように、旋回角φを検出する。旋回角センサ135は、制御部200の要求に応じて、検出結果を旋回角信号として制御部200へ送信する。
荷重センサ240は、ステップ141へ加えられる荷重を検出する、例えば圧電フィルムであり、ステップ141に埋め込まれている。荷重センサ240は、制御部200の要求に応じて、検出結果を荷重信号として制御部200へ送信する。
メモリ250は、不揮発性の記憶媒体であり、例えばソリッドステートドライブが用いられる。メモリ250は、走行装置100を制御するための制御プログラムの他にも、制御に用いられる様々なパラメータ値、関数、ルックアップテーブル等を記憶している。メモリ250は、回転角θおよび旋回角|φ|を目標速度に変換する変換テーブル251を記憶している。
図6は、回転角θおよび旋回角|φ|を目標速度に変換する変換テーブル251の一例としての、回転角θおよび旋回角|φ|と目標速度Vの関係を示すグラフである。図示するように、目標速度Vは、旋回角|φ|ごとに定義された、回転角θの一次関数として表されており、それぞれの旋回角|φ|ごとに、回転角θが大きくなるにつれて、目標速度が大きくなるように設定されている。例えば旋回角|φ|=0度においては、最小角θMIN(度)のときに目標速度は0であり、最大角θMAX(度)のときに目標速度は最高速度V(km/h)である。
図中のa、b、cは、0<a<b<cの関係を有する。いずれの旋回角であっても、回転角θが最小角θMIN(度)のときの目標速度は0であり、それぞれの旋回角に対する一次関数はいずれも(θ、V)=(θMIN、0)を通る。そして、|φ|=aにおける最大角θMAX(度)の目標速度はVであり、|φ|=bにおける最大角θMAX(度)の目標速度はVであり、|φ|=cにおける最大角θMAX(度)の目標速度はVである。このとき、V>V>V>V>0の関係を有する。つまり、旋回角|φ|が大きいほど目標速度としての最高速度は小さくなるように設定されている。また、それぞれの旋回角|φ|に対する回転角θと目標速度Vの関係は一次関数であるので、θMINより大きい任意の回転角θにおいて、回転角θが一定であれば旋回角|φ|が大きいほど目標速度が小さくなる関係が成り立っている。
このような関係式によって目標速度を予め対応付けておけば、旋回角が一定であればWB長が長くなるほど自動的に走行速度が大きくなるので、低速走行時の小回りの良さと高速走行時の安定性を両立できる。また、WB長が一定であれば旋回角が大きくなるほど自動的に走行速度は小さくなるので、遠心力によってバランスを崩すようなこともなく安全な搭乗を実現できる。
なお、図においては、旋回角|φ|が0、a、b、cの4つの場合について説明したが、もちろんより多くの旋回角|φ|に対して一次関数を定義しても良い。また、一次関数に限らず、他の様々な関数を適用しても良い。また、目標速度vを二変数関数f(θ、φ)によって定義しても良い。
図7は、回転角θおよび旋回角|φ|を目標速度に変換する変換テーブル251の他の一例としての、回転角θおよび旋回角|φ|と目標速度の関係を示すテーブルである。図6の例では、連続的に変化する回転角θに対して連続的に変化する目標速度を対応付けた。図7の例では、連続的に変化する回転角θおよび旋回角|φ|を複数のグループに区分して、それぞれにひとつの目標速度を対応付ける二次元ルックアップテーブルとして設定する。
図示するように、例えば旋回角|φ|が0度以上2度未満の範囲においては、回転角θが、θMIN以上θ未満である場合に目標速度0(km/h)が対応付けられ、θ以上θ未満である場合に目標速度5.0(km/h)が対応付けられ、θ以上θ未満である場合に目標速度10.0(km/h)が対応付けられ、θ以上θMAX以下である場合に目標速度15.0(km/h)が対応付けられている。旋回角|φ|は、0度以上2度未満の範囲に続いて、2度以上20度未満、20度以上40度未満、40度以上60度(=最大旋回角)以下に区分されており、各々の旋回角範囲においても、同様に回転角の範囲ごとに目標速度が対応付けられている。
図示するルックアップテーブルは、旋回角|φ|の範囲が同じであれば、回転角θの第1の範囲に対応付けられた目標速度が、第1の範囲よりも大きい第2の範囲に対応付けられた目標速度を上回らないように設定されている。また、回転角θの範囲が同じであれば、旋回角|φ|の第1の範囲に対応付けられた目標速度が、第1の範囲より小さい第2の範囲に対応付けられた目標速度を上回らないように設定されている。
例えば、旋回角|φ|の範囲が40度以上60度以下の範囲である場合に、θ以上θ未満の範囲には3.0(km/h)が対応付けられており、θ以上θ未満の範囲に対応付けられた6.0(km/h)を上回っていない。また、回転角θの範囲がθ以上θ未満の範囲である場合に、旋回角|φ|が2度以上20度未満の範囲には10.0(km/h)が対応付けられており、0度以上2度未満の範囲に対応付けられた10.0(km/h)を上回っていない。
このように目標速度を、ある程度幅を持たせた回転角θと旋回角|φ|のそれぞれの範囲に対応付けると、例えばユーザ900の体の揺れに影響されて小刻みに目標速度が変わるようなことがなくなり、滑らかな速度変化を期待できる。もちろん、範囲の境界にヒステリシスを持たせても良く、加速時と減速時でそれぞれの範囲の境界値を異ならせれば、より滑らかな速度変化を期待できる。
また、図の例では、旋回角|φ|が2度未満であれば直進と見なして目標速度を設定している。このような設定により、ユーザはハンドル115が多少ぶれても直進する速度を一定に保つことができる。また、回転角θが大きくなるほど、旋回角|φ|の増加に対する目標速度の低下の割合を大きくしている。このような設定により、ユーザは旋回時に生じる遠心力に対してバランスが取りやすくなる。
回転角θおよび旋回角|φ|と目標速度の対応付けは、図6や図7の例に限らず、さまざまな対応付けが可能である。また、本実施形態における走行装置100では、回転角θがWB長と一対一に対応することから、WB長に代えて媒介変数である回転角θを目標速度と対応付ける変換テーブル251を採用しているが、本来の趣旨通りに、WB長および旋回角|φ|と目標速度とを対応付ける変換テーブルを採用しても良い。この場合は、回転角センサ134から取得される回転角θを上述の関数を用いてWB長に換算してから、変換テーブルを参照すれば良い。関数形式の変換テーブルを採用する場合であれ、ルックアップテーブル形式の変換テーブルを採用する場合であれ、旋回角が同じであれば、第1のWB長に対応付けられた第1の目標速度が、第1のWB長よりも長い第2のWB長に対応付けられた第2の目標速度を上回らないように設定され、WB長が同じであれば、第1の旋回角に対応付けられた第3の目標速度が、第1の旋回角より小さい第2の旋回角に対応付けられた第4の目標速度を上回らないように設定されていれば良い。
次に、本実施例における、走行処理について説明する。図8は、走行中の処理を示すフロー図である。フローは、電源スイッチがオンにされ、荷重センサ240から荷重ありの信号を受け取った時点、すなわちユーザ900が搭乗した時点から開始する。
制御部200は、ステップS101で、回転角センサ134から回転角信号を取得して現在の回転角θを算出する。また、旋回角センサ135から旋回角信号を取得して現在の旋回角|φ|を算出する。そして、ステップS102で、算出した回転角θおよび旋回角|φ|を、メモリ250から読み出した変換テーブル251に当てはめ、目標速度を設定する。
制御部200は、目標速度を設定したら、ステップS103へ進み、駆動ユニット210へ対して加減速の駆動信号を送信する。具体的には、まず車速センサ220から速度信号を受け取り、現在の速度を確認する。そして、目標速度が、現在の速度より大きければ加速する駆動信号を駆動ユニット210へ送信し、現在の速度より小さければ減速する駆動信号を駆動ユニット210へ送信する。
制御部200は、加減速中も回転角θおよび旋回角|φ|が変化したか、つまり、ユーザ900がハンドル115を前後左右に操作したかを監視する(ステップS104)。回転角θおよび旋回角|φ|の少なくともいずれかが変化したと判断したら、再度ステップS101からやり直す。変化していないと判断したらステップS105へ進む。なお、図7のような変換テーブルを採用している場合は、回転角θあるいは旋回角|φ|がひとつの範囲に留まる間は、変化していないと判断する。
制御部200は、ステップS105で、車速センサ220から速度信号を受け取り、目標速度に到達したか否かを判断する。目標速度に到達していないと判断したら、ステップS103へ戻り、加減速を継続する。目標速度に到達したと判断したら、ステップS106へ進む。ステップS106では、目標速度が0であったか否かを確認する。目標速度が0であったなら、ステップS106の時点では走行装置100は停止していることになる。そうでなければ、目標速度により走行中であるので、制御部200は、その速度で走行を維持するように駆動信号を駆動輪ユニット210へ送信する(ステップS107)。
制御部200は、ステップS107で定速走行している間も、回転角θおよび旋回角|φ|が変化したか、つまり、ユーザ900がハンドル115を前後左右に操作したかを監視する(ステップS108)。回転角θおよび旋回角|φ|の少なくともいずれかが変化したと判断したら、ステップS101へ戻る。変化していないと判断したら定速走行を続けるべく、ステップS107へ戻る。
ステップS106で目標速度が0であったと確認したら、ステップS109へ進み、ユーザ900が降機したかを荷重センサ240から受信する荷重信号から判断する。ユーザ900が降機していない、つまり荷重があると判断したら、走行制御を継続すべくステップS101へ戻る。降機したと判断したら、一連の処理を終了する。
以上本実施形態に係る走行装置100を説明したが、前輪、後輪は、車輪でなくても良く、球状輪、クローラなどの接地要素であっても構わない。また、駆動輪を駆動する動力源はモータに限らず、ガソリンエンジンなどであっても構わない。
100 走行装置、101 前輪、102 後輪、103 車軸、110 前輪支持部材、111 前側支柱、112 フォーク、115 ハンドル、120 後輪支持部材、121 後側支柱、122 本体部、131 旋回継手、132 ヒンジ継手、133 付勢バネ、134 回転角センサ、135 旋回角センサ、141 ステップ、200 制御部、210 駆動輪ユニット、220 車速センサ、240 荷重センサ、250 メモリ、251 変換テーブル、900 ユーザ

Claims (1)

  1. 走行方向に対して少なくとも前輪と後輪を有し、ユーザが搭乗して走行する走行装置であって、
    前記前輪を回転可能に支持する前輪支持部材と、
    前記後輪を回転可能に支持する後輪支持部材と、
    前記前輪および前記後輪の少なくともいずれかを駆動する駆動部と、
    前記ユーザが前記前輪支持部材と前記後輪支持部材の相対位置を変化させる動作力が伝達することにより、前記前輪と前記後輪のホイールベース長調整される調整機構と、
    前記前輪および前記後輪の少なくともいずれかの車輪方向を変化させて直進方向に対する前記走行装置の旋回角度を操作するハンドル部と、
    前記駆動部を制御する制御部と
    を備え、
    前記制御部は、前記旋回角度が同じ場合に、第1ホイールベース長に対応付けられた第1目標速度が、前記第1ホイールベース長よりも長い第2ホイールベース長に対応付けられた第2目標速度を上回らないように設定され、かつ、前記ホイールベース長が同じ場合に、第1旋回角度に対応付けられた第3目標速度が、前記第1旋回角度より小さい第2旋回角度に対応付けられた第4目標速度を上回らないように設定された目標速度に基づいて前記駆動部を制御する走行装置。
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