JP6748013B2 - 倒立振子型移動装置 - Google Patents

Description

本発明は、倒立振子型移動装置に関する。

従来、搭乗者の姿勢変化に応じて所望の方向に移動可能な倒立振子型移動装置が知られている。例えば、特許文献１には、搭乗者が搭乗可能な基部、当該基部に回転可能に設けられる車輪、基部の傾きを検出可能な姿勢センサ、及び、姿勢センサが検出する基部の傾きに応じて車輪を駆動可能な制御部を備える倒立振子型移動装置が記載されている。

特開２００６−１２３０１４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の倒立振子型移動装置では、一本の車軸の両端に設けられる二つの車輪が回転することによって基部を移動させるため、車軸に略平行な方向に移動するとき、二つの車輪の回転速度または回転方向を異ならせることによって旋回する必要がある。このため、旋回するための空間がない比較的狭い場所では移動可能な方向が制限される。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、所望の方向に移動可能な倒立振子型移動装置を提供することにある。

本発明は、搭乗者の姿勢変化に応じて所望の方向に移動可能な倒立振子型移動装置であって、基部（１０）、複数のメカナムホイール（２２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ）、複数の駆動部（２３，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ）、姿勢変化検出部（３１）、及び、制御部（４０，７０）を備える。
基部は、一方の面に搭乗者が搭乗可能である。
メカナムホイールは、一方の面とは反対側の基部の他方の面（１０２）に（２×ｎ）個（ｎは２以上の整数）以上設けられる。メカナムホイールは、回転可能な大径回転体（２２１）、及び、大径回転体の径方向外側に接地面（８）に接地しつつ回転可能に設けられ大径回転体の回転軸に対してずれた位置にそれぞれの回転軸を有する複数の小径回転体（２２２）を有する。複数のメカナムホイールは、大径回転体の回転軸が同一直線（ＶＬ１）上に位置する。
複数の駆動部は、複数のメカナムホイールのそれぞれを駆動可能である。
姿勢変化検出部は、基部の傾きを検出し、当該基部の傾きに応じた姿勢信号を出力可能である。
制御部は、姿勢変化検出部が出力する姿勢信号に基づいて複数の駆動部を制御する。

本発明の倒立振子型移動装置では、４以上の偶数個のメカナムホイールは、大径回転体の回転軸が同一直線上に位置している。これにより、複数の駆動部によって複数のメカナムホイールのそれぞれを個別に制御することによって、大径回転体の回転軸の略垂直な方向の推進力を相殺する一方、小径回転体の回転軸と同じ方向の推進力を残すことが可能となる。したがって、基部を旋回するための空間がない比較的狭い場所においても、大径回転体の回転軸に沿った方向に移動することができる。

第一実施形態による倒立振子型移動装置の模式図である。 図１のＩＩ矢視図である。 第一実施形態による倒立振子型移動装置の作用を説明する模式図である。 第二実施形態による倒立振子型移動装置の模式図である。 第三実施形態による倒立振子型移動装置の模式図である。 第四実施形態による倒立振子型移動装置の模式図である。 第五実施形態による倒立振子型移動装置の模式図である。 第五実施形態による倒立振子型移動装置の作用を説明する模式図である。

以下、本発明の倒立振子型移動装置の実施形態を図面に基づいて説明する。複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

（第一実施形態）
第一実施形態による「倒立振子型移動装置」である移動体１を図１〜３に基づいて説明する。移動体１は、人間を搭乗可能であって、搭乗者の移動体１上での姿勢変化に応じて所望の方向に移動可能である。移動体１は、「基部」としてのベース１０、支持ポスト１１、「操作部」としてのハンドルバー１２、複数のホイールユニット２０、「姿勢変化検出部」としての第一センサ３１、及び、制御部４０を備える。

ベース１０は、略平板状に形成されている。ベース１０の「一方の面」としての搭乗可能面１０１は、人間が搭乗可能な面積を有する。

支持ポスト１１は、搭乗可能面１０１から略垂直に立ち上がるよう形成されている。

ハンドルバー１２は、支持ポスト１１の搭乗可能面１０１と接続する側とは反対側に設けられている。ハンドルバー１２は、ベース１０上の搭乗者が掴むことが可能となっている。

ホイールユニット２０は、ベース１０の搭乗可能面１０１とは反対側の下面１０２に設けられている。本実施形態では、四セットのホイールユニット２０が設けられている。ホイールユニット２０のそれぞれは、一つの支持部材２１、一つのメカナムホイール２２、及び、一つの駆動部２３を有する。

支持部材２１は、下面１０２から接地面８に向かって突出するよう形成されている。支持部材２１の下面１０２とは反対側の端部に、メカナムホイール２２及び駆動部２３が設けられている。

一つのメカナムホイール２２は、「大径回転体」としての一つのホイール２２１及び「小径回転体」としての複数のバレル２２２を有する。本実施形態では、一つのメカナムホイール２２は、八個のバレル２２２を有する。
ホイール２２１は、支持部材２１に回転可能に支持されている。
複数のバレル２２２は、樽状に形成され、ホイール２２１の径方向外側にホイール２２１の周方向に沿って並べられている。八個のバレル２２２は、一つのホイール２２１に回転可能に支持されている。八個のバレル２２２は、回転軸がホイール２２１の回転軸に対してずれた位置となるよう形成されている。このとき、ホイール２２１の回転軸に対する八個のバレル２２２の回転軸のずれた関係は、ホイール２２１の回転軸からみて同じ関係となっている。八個のバレル２２２の径方向外側の壁面は、接地面８に当接可能に形成されている。

駆動部２３は、支持部材２１を挟んでメカナムホイール２２とは反対側に設けられている。駆動部２３は、メカナムホイール２２と連結している。駆動部２３は、制御部４０と電気的に接続している。駆動部２３は、制御部４０の指令に応じてメカナムホイール２２を駆動可能な「駆動力」としての回転トルクを出力可能である。

メカナムホイール２２は、駆動部２３が出力する回転トルクによってホイール２２１が回転すると、ホイール２２１の回転軸に対して、垂直とは異なる斜めの方向にメカナムホイール２２を推進する推進力が発生する。

移動体１では、ベース１０と接地面８との間に四セットのホイールユニット２０が等間隔で設けられている。四セットのホイールユニット２０のそれぞれが有するメカナムホイール２２は、同じ外径を有しており、離間して設けられている。一つのホイールユニット２０が有するバレル２２２の回転軸の接地面８に対する傾きは、図１に示すように、隣り合うホイールユニット２０が有するバレル２２２の回転軸と異なる方向になっている。具体的には、隣り合うホイールユニット２０のそれぞれが有するバレル２２２の回転軸と、当該隣り合うホイールユニット２０の間の接地面８の垂線Ｌｐ１とがなす角度が、垂線Ｌｐ１を挟んで同じ角度となっている（図１の角度α１と角度α２との関係参照）。
本実施形態では、四セットのホイールユニット２０のそれぞれが有するホイール２２１の回転軸は、図１、２に示すように、同一直線（図１，２に示す仮想直線ＶＬ１）上に位置している。

第一センサ３１は、ベース１０の下面１０２に設けられている。第一センサ３１は、制御部４０と電気的に接続している。第一センサ３１は、搭乗者の姿勢変化に伴うベース１０の傾きを検出可能に設けられている。第一センサ３１は、ベース１０の傾きに応じた姿勢信号を制御部４０に出力する。

制御部４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成されている。制御部４０は、第一センサ３１が出力する姿勢信号に基づいて移動体１の移動内容を決定し、四個のホイール２２１のそれぞれの回転方向及び回転トルクを演算する。制御部４０は、演算した結果に応じた信号を四個の駆動部２３のそれぞれに出力する。

第一実施形態による移動体１は、それぞれメカナムホイール２２及び駆動部２３を有する四セットのホイールユニット２０を備えている。四セットのホイールユニット２０のそれぞれが有するメカナムホイール２２のホイール２２１は、回転軸が仮想直線ＶＬ１上に位置している。すなわち、移動体１では、ホイールベースが０となっている。四個のメカナムホイール２２は、それぞれに対応する駆動部２３によって個別に制御される。

移動体１では、第一センサ３１によってベース１０の傾きに応じた姿勢信号が制御部４０に出力されると、制御部４０は、四個の駆動部２３のそれぞれが連結するメカナムホイール２２の回転方向及び回転速度を指令する指令信号を出力する。

ここで、移動体１の動きについて、図３に基づいて説明する。図３には、移動体１を搭乗可能面１０１側からみた図を示す。図３では、説明の便宜上、移動体１が備える四個のメカナムホイール２２を、図３に示すように、ベース１０の端から順にメカナムホイール２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄとする。また、図３において、ベース１０から支持ポスト１１が突出する方向を移動体１の前進方向とし、その反対方向を移動体１の後進方向とする。図３では、移動前の移動体１を点線で示し、移動後の移動体１を実線で示す。

搭乗者の姿勢変化によって移動体１をホイール２２１の回転軸（図３では、仮想直線ＶＬ１）に沿った方向に移動する場合、メカナムホイール２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄのそれぞれに連結する駆動部２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄは、次のようにメカナムホイール２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを駆動する。
駆動部２３ａは、ホイールユニット２０ａが後進するようメカナムホイール２２ａを回転する。これにより、メカナムホイール２２ａと接地面８との間には、メカナムホイール２２ａが有するバレルの回転軸と同じ方向の作用力Ｆａが発生する。
駆動部２３ｂは、ホイールユニット２０ｂが前進するようメカナムホイール２２ｂを回転する。これにより、メカナムホイール２２ｂと接地面８との間には、メカナムホイール２２ｂが有するバレルの回転軸と同じ方向の作用力Ｆｂが発生する。
駆動部２３ｃは、ホイールユニット２０ｃが後進するようメカナムホイール２２ｃを回転する。これにより、メカナムホイール２２ｃと接地面８との間には、メカナムホイール２２ｃが有するバレルの回転軸と同じ方向の作用力Ｆｃが発生する。
駆動部２３ｄは、ホイールユニット２０ｄが前進するようメカナムホイール２２ｄを回転する。これにより、メカナムホイール２２ｄと接地面８との間には、メカナムホイール２２ｄが有するバレルの回転軸と同じ方向の作用力Ｆｄが発生する。

図３に示した作用力Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃ，Ｆｄの合力のうち、前進方向の作用力と後進方向の作用力とは相殺される。一方、作用力Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃ，Ｆｄの合力のうち、ホイール２２１の回転軸に沿った方向の作用力は相殺されることなく残るため、当該作用力は、ベース１０をホイールユニット２０ａからホイールユニット２０ｄに向かう方向に推進する推進力となる。これにより、移動体１は、図３の実線矢印Ｆ１３に示すように、ホイール２２１の回転軸に沿った方向に移動することができる。

このように、それぞれ独立して駆動可能な四個のメカナムホイール２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの回転軸が同一直線上に位置することによって、移動体１は、ホイール２２１の回転軸に沿った方向に移動することができる。これにより、第一実施形態は、例えば、ベース１０を旋回するための空間がない比較的狭い場所において所望の方向に移動することができる。

また、移動体１では、比較的重い駆動部２３がベース１０と接地面８との間においてベース１０の下面１０２に設けられている。これにより、移動体１の重心を低くすることできる。したがって、移動体１の転倒を防止することができる。

（第二実施形態）
第二実施形態による倒立振子型移動装置を図４に基づき説明する。第二実施形態では、隣り合うホイールユニットが離間して設けられている点が第一実施形態と異なる。

第二実施形態による「倒立振子型移動装置」である移動体２は、図４に示すように、ベース１０、支持ポスト１１、ハンドルバー１２、複数のホイールユニット２０、第一センサ３１、及び、制御部４０を備える。

移動体２では、四セットのホイールユニット２０が離間して設けられている。
具体的には、四セットのホイールユニット２０のうちベース１０の一端側に位置するホイールユニット２０ａの支持部材２１ａと、ホイールユニット２０ａに隣り合うホイールユニット２０ｂの支持部材２１ｂとは、一定の距離離れた位置に設けられている。支持部材２１ａが設けられるベース１０の部位１０３と支持部材２１ｂが設けられるベース１０の部位１０４との間には、比較的長さが長い部位１０５が設けられる。
また、四セットのホイールユニット２０のうちベース１０の他端側に位置するホイールユニット２０ｄの支持部材２１ｄと、ホイールユニット２０ｄに隣り合うホイールユニット２０ｃの支持部材２１ｃとは、一定の距離離れた位置に設けられている。支持部材２１ｄが設けられるベース１０の部位１０６と、支持部材２１ｃが設けられるベース１０の部位１０７との間には、比較的長さが長い部位１０８が設けられる。

第二実施形態による移動体２では、搭乗者が搭乗するとき、搭乗者の重量による作用力Ｆ４１，Ｆ４２がベース１０の部位１０５，１０８に作用するため、部位１０５，１０８の一部が変形する。一方、変形する部位１０５，１０８の一部から離れた位置にある部位１０３，１０４，１０６，１０７は変形しない。これにより、部位１０５，１０８の一部の変形がメカナムホイール２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの接地面８に対する接地の状態に影響を及ぼすことはない。したがって、メカナムホイール２２の確実な接地を確保することができるため、第二実施形態は、第一実施形態と同じ効果を奏するとともに、搭乗者の姿勢変化に応じた確実な移動を実現することができる。

（第三実施形態）
第三実施形態による倒立振子型移動装置を図５に基づき説明する。第三実施形態では、支持部材を形成する材料が異なる点が第一実施形態と異なる。

第三実施形態による「倒立振子型移動装置」である移動体３は、図５に示すように、ベース１０、支持ポスト１１、ハンドルバー１２、ホイールユニット５０、第一センサ３１、及び、制御部４０を備える。

ホイールユニット５０は、ベース１０の搭乗可能面１０１とは反対側の下面１０２に設けられている。ホイールユニット５０のそれぞれは、「緩衝部」としての一つの支持部材５１、一つのメカナムホイール２２、及び、一つの駆動部２３を有する。

支持部材５１は、下面１０２から接地面８に向かって突出するよう形成されている。支持部材５１は、弾性変形可能な材料から形成されている。支持部材５１の下面１０２とは反対側の端部に、メカナムホイール２２及び駆動部２３が設けられている。

第三実施形態による移動体３では、接地面８が平面であるとき、四個のメカナムホイール２２のそれぞれが有するホイール２２１の回転軸は、仮想直線ＶＬ１上に位置している。
図５に示すように、接地面８が平面でない場合、支持部材５１は変形し、全てのメカナムホイール２２が接地面８に接地する。また、第二実施形態で説明したように、搭乗者の重量に起因する作用力Ｆ５１，Ｆ５２によってベース１０が変形するとき、ベース１０の変形に応じて支持部材５１は変形し、全てのメカナムホイール２２が接地面８に接地する。
このように、第三実施形態では、支持部材５１は、移動体３におけるベース１０と接地面８との距離の変化に応じて全てのメカナムホイール２２が接地面８に確実に接地するよう変形する。これにより、第三実施形態は、第一実施形態と同じ効果を奏するとともに、搭乗者の姿勢変化に応じた確実な移動を実現することができる。

（第四実施形態）
第四実施形態による倒立振子型移動装置を図６に基づき説明する。第四実施形態では、ホイールユニットが変速部を備える点が第一実施形態と異なる。

第四実施形態による「倒立振子型移動装置」である移動体４は、図６に示すように、ベース１０、支持ポスト１１、ハンドルバー１２、ホイールユニット６０、第一センサ３１、及び、制御部４０を備える。

ホイールユニット６０は、ベース１０の搭乗可能面１０１とは反対側の下面１０２に設けられている。ホイールユニット６０のそれぞれは、一つの支持部材２１、一つのメカナムホイール２２、一つの駆動部２３、及び、一つの変速部６４を有する。

変速部６４は、メカナムホイール２２と駆動部２３との間に設けられる。変速部６４は、駆動部２３が出力する回転トルクや回転数を変更し、メカナムホイール２２に出力する。

第四実施形態による移動体４では、変速部６４は、ホイールユニット６０の一部としてベース１０の下面１０２と接地面８との間に設けられている。これにより、第四実施形態は、第一実施形態と同じ効果を奏するとともに、ベース１０と接地面８との間の空間を有効に利用することによってベース１０の搭乗可能面１０１側の空間を十分に確保することができる。

（第五実施形態）
第五実施形態による倒立振子型移動装置を図７，８に基づき説明する。第五実施形態では、ハンドル操作が可能な点が第一実施形態と異なる。

第五実施形態による「倒立振子型移動装置」である移動体５は、図７に示すように、ベース１０、支持ポスト１１、ハンドルバー１２、ステム１３、ホイールユニット２０、第一センサ３１、「操作内容検出部」としての第二センサ３２、及び、制御部７０を備える。

ステム１３は、支持ポスト１１とハンドルバー１２との間に設けられている。ステム１３は、支持ポスト１１に対してハンドルバー１２を回転可能なようハンドルバー１２を支持する。

第二センサ３２は、ハンドルバー１２に設けられている。第二センサ３２は、「搭乗者による操作部の操作内容」としてのベース１０に対するハンドルバー１２の相対回転量を検出可能に形成されている。第二センサ３２は、制御部７０と電気的に接続している。第二センサ３２は、制御部７０にベース１０に対するハンドルバー１２の相対回転量に応じた操作信号を出力する。

制御部７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成されている。制御部７０は、操作信号に対応する移動体５の移動プログラムが事前に入力されている。制御部７０は、第一センサ３１が出力する姿勢信号及び第二センサ３２が出力する操作信号に基づいて移動体５の移動内容を決定し、四個のホイール２２１のそれぞれの回転方向及び回転トルクを演算する。

第五実施形態による移動体５では、搭乗者がハンドルバー１２を回転すると、事前に入力した移動プログラムにしたがって複数の駆動部２３を制御する。このときの制御内容を図８に基づいて説明する。

図８には、移動体５を搭乗可能面１０１側からみた図を示す。図８では、移動前の移動体５を点線で示し、移動後の移動体５を実線で示す。
搭乗者がハンドルバー１２を図８の白抜き矢印Ｆ８１に示すように時計周りに回転すると、第二センサ３２は、第一センサ３１に対する第二センサ３２の相対位置に応じて制御部７０に操作信号を出力する。制御部７０では、入力された操作信号に対する移動プログラムにしたがって四個の駆動部２３のそれぞれにメカナムホイール２２の回転方向及び回転速度を指令する指令信号を出力する。これにより、四個のメカナムホイール２２が駆動し、例えば、図８に示すように、ハンドルバー１２の回転量に対応するよう移動体５がその場で時計周りに回転する（図８の白抜き矢印Ｆ８２）。

このように、第五実施形態では、ハンドルバー１２の操作に対する移動プログラムを制御部７０に事前に入力することによって、搭乗者の姿勢変化だけでは判別しにくい移動体５の移動をハンドルバー１２の操作によって実現することができる。したがって、第五実施形態は、第一実施形態の効果を奏するとともに、特定の移動を容易に行うことができる。

（他の実施形態）
上述の実施形態では、移動体は、四個のメカナムホイールを備えるとした。しかしながら、メカナムホイールの数はこれに限定されない。４以上の偶数であればよい。

上述の実施形態では、移動体は、一つの支持部材、一つのメカナムホイール、及び、一つの駆動部を有するホイールユニットを備えるとした。しかしながら、ホイールユニットはなくてもよい。一つのメカナムホイールに対して当該一つのメカナムホイールを駆動可能な一つの駆動部を備えていればよい。また、駆動部は、ベースの搭乗可能面に設けられてもよい。

第四実施形態の変速部を第二、三実施形態の移動体に適用してもよい。また、第五実施形態の構成を第二〜四実施形態に適用してもよい。

第五実施形態では、第二センサは、ベースに対するハンドルバーの相対回転量を検出可能に形成されている。しかしながら、第二センサが検出可能な物理量はこれに限定されない。搭乗者によるハンドルバーの操作内容を表す物理量であればよい。

上述の実施形態では、複数のメカナムホイールのそれぞれの外径は同じであるとした。しかしながら、複数のメカナムホイールの接地可能な面が同一平面上であれば外径は異なっていてもよい。

以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

１，２，３，４，５・・・移動体（倒立振子型移動装置）
８・・・接地面
１０・・・ベース（基部）
１０１・・・搭乗可能面（一方の面）
１０２・・・下面（他方の面）
２２１・・・ホイール（大径回転体）
２２２，２２２ａ，２２２ｂ，２２２ｃ，２２２ｄ・・・バレル（小径回転体）
２２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ・・・メカナムホイール
２３，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ・・・駆動部
３１・・・第一センサ（姿勢変化検出部）
４０，７０・・・制御部

Claims (8)

1. 搭乗者の姿勢変化に応じて所望の方向に移動可能な倒立振子型移動装置であって、
   一方の面（１０１）に前記搭乗者が搭乗可能な基部（１０）と、
   前記一方の面とは反対側の前記基部の他方の面（１０２）に（２×ｎ）個（ｎは２以上の整数）以上設けられ、回転可能な大径回転体（２２１）、及び、前記大径回転体の径方向外側に接地面（８）に接地しつつ回転可能に設けられ前記大径回転体の回転軸に対してずれた位置にそれぞれの回転軸を有する複数の小径回転体（２２２）を有し、前記大径回転体の回転軸が同一直線（ＶＬ１）上に位置する複数のメカナムホイール（２２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ）と、
   複数の前記メカナムホイールのそれぞれを駆動可能な複数の駆動部（２３，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ）と、
   前記基部の傾きを検出し、当該基部の傾きに応じた姿勢信号を出力可能な姿勢変化検出部（３１）と、
   前記姿勢変化検出部が出力する姿勢信号に基づいて複数の前記駆動部を制御する制御部（４０，７０）と、
   を備える倒立振子型移動装置。
2. 複数の前記メカナムホイールは、離間した状態で設けられる請求項１に記載の倒立振子型移動装置。
3. 前記駆動部は、前記基部の前記他方の面側に設けられる請求項１または２に記載の倒立振子型移動装置。
4. 前記駆動部が出力する駆動力を変速可能な変速部（６４）をさらに備える請求項１〜３のいずれか一項に記載の倒立振子型移動装置。
5. 前記メカナムホイールと前記基部との間に設けられ、前記基部の変形による前記メカナムホイールの位置変化を防止する緩衝部（５１）をさらに備える請求項１〜４のいずれか一項に記載の倒立振子型移動装置。
6. 前記緩衝部は、前記基部の前記他方の面に設けられ、前記基部に対して前記メカナムホイールを回転可能に支持する請求項５に記載の倒立振子型移動装置。
7. 前記緩衝部を複数備え、
   複数の前記緩衝部のそれぞれは、一つの前記メカナムホイール及び一つの前記駆動部を支持する請求項５に記載の倒立振子型移動装置。
8. 前記基部の一方の面に設けられ、前記搭乗者が操作可能な操作部（１２）と、
   前記搭乗者による前記操作部の操作内容を検出し、当該操作内容に応じた操作信号を出力可能な操作内容検出部（３２）と、
   をさらに備え、
   前記制御部は、前記姿勢変化検出部が出力する姿勢信号及び前記操作内容検出部が出力する操作信号に基づいて複数の前記駆動部を制御する請求項１〜７のいずれか一項に記載の倒立振子型移動装置。

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