JP6846798B2 - 倒立振子型車両 - Google Patents

Description

この発明は、倒立振子型車両に関し、詳しくは、摩擦等によって機械的に車輪を制動する機械式のブレーキを備えた倒立振子型車両に関する。

近年、地球環境保全や高齢化社会への対応の観点などから、個人用の新たな移動手段が求められている。このような移動手段として、一人乗りの電動車であるパーソナルモビリティ・ビークル（Personal Mobility Vehicle、以下、ＰＭＶ）が注目を集め、研究開発が進められている。

ＰＭＶは、自動車や自転車に比べてコンパクトで小回りが利くため、街路、歩道、施設内などの歩行者空間における利用が想定され、自動車や鉄道などの従来の交通手段を補完して交通の集中を緩和し、また、環境に優しい新たな移動手段として期待されている。
また、ＰＭＶは、足腰の衰えから長距離の歩行を負担に感じる高齢者用の移動手段としても期待されている。

このようなＰＭＶとして、走行中に搭乗者が転倒しないよう、倒立振子の原理に基づくフィードバック制御を行い、搭乗者の姿勢の安定化を図る倒立振子型車両の研究開発が進められており、一般に、２輪型〜４輪型の倒立振子型車両が知られている（例えば、特許文献１〜３を参照）。

倒立振子型車両の加速または減速は、車両の前方または後方への搭乗者の重心移動に応じて、車輪の回転駆動のトルクを制御することにより行う。具体的には、搭乗者の重心が車両の前方に移動したとき、倒立振子型車両を加速させるようにトルクを制御し、搭乗者の重心が車両の後方に移動したとき、倒立振子型車両を減速させるようにトルクを制御する。

それゆえ、車両を急停止させたい場合、搭乗者は短時間に重心を大きく後方に移動させる必要があるが、それでも減速が間に合わず、前方の歩行者や壁などに衝突してしまうおそれがある。また、重心を移動させる際に、搭乗者がバランスを崩して転倒してしまうおそれもある。このような問題は、特に、迅速な動作を行うことのできない高齢者に生じやすく、問題となる。

特開２０１２−１２６３５３号公報 特開２０１１−００５９９１号公報 特開２００９−２１４６７０号公報

ところで、搭乗者の重心移動によらず、倒立振子型車両に機械式のブレーキを設けることによって、車両を急停止させることも考えられる。
しかしながら、２輪型の倒立振子型車両に機械式のブレーキを設けた場合、車両に急ブレーキをかけて車輪の回転を止めると、姿勢安定化のためのフィードバック制御が行えなくなるため、搭乗者の姿勢が不安定になって前後に転倒してしまうおそれがある。

また、３輪以上の倒立振子型車両に機械式のブレーキを設けた場合、２輪型の倒立振小型車両のように急ブレーキをかけた際に搭乗者の姿勢が不安定になることはないが、急減速によって搭乗者が車両の前方に勢いよく飛びだしてしまうおそれがある。

この発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、機械式のブレーキによって車輪を制動した際も、搭乗者の姿勢の安定化を図ることのできる倒立振子型車両を実現するものである。

この発明は、筐体と、前記筐体に設けられた車輪と、前記車輪の少なくとも一部の車輪を駆動輪として回転駆動する走行駆動部と、前記車輪を制動する制動部と、搭乗者を支持し、前後方向に傾斜可能かつ前記筐体に対して前後方向に相対変位可能に前記筐体上に設けられた可動板と、前記可動板を駆動する可動板駆動部と、前記可動板の水平方向からの傾斜角および傾斜角速度を計測する可動板傾斜センサと、前記走行駆動部および前記可動板駆動部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記筐体の走行中に前記制動部が動作していないとき、前記筐体に対して前記可動板を相対変位させず、前記可動板傾斜センサによって計測された前記可動板の傾斜角および傾斜角速度に基づき、倒立振子の原理によって搭乗者が安定した姿勢を保持するように前記走行駆動部をフィードバック制御し、一方、前記筐体の走行中に前記制動部が動作したとき、前記筐体に対して前記可動板を前後方向に相対変位させ、前記可動板傾斜センサによって計測された前記可動板の傾斜角および傾斜角速度に基づき、倒立振子の原理によって搭乗者が安定した姿勢を保持するように前記可動板駆動部をフィードバック制御することを特徴とする倒立振子型車両を提供するものである。

この発明によれば、機械式のブレーキによって車輪を制動した際も、搭乗者の姿勢の安定化を図ることのできる倒立振子型車両を実現することができる。

この発明の実施形態１に係る倒立振子型車両の概略構成を示す説明図である。図１（Ａ）は、側方から見た倒立振子型車両の概略構成を示し、図１（Ｂ）は、前方から見た倒立振子型車両の概略構成を示し、図１（Ｃ）は、上方から見た倒立振子型車両の概略構成を示す。 図１に示す倒立振子型車両の電気的な構成を示すブロック図である。 図１に示す倒立振子型車両の走行動作処理の一例を示すフローチャートである。 図１に示す倒立振子型車両のモデルの一例を示す説明図である。図４（Ａ）は、倒立振子型車両のモデルの通常走行時の動作を示す説明図であり、図４（Ｂ）は、倒立振子型車両のモデルのブレーキ動作時の動作を示す説明図である。 図４に示す倒立振子型車両のモデルの数値シミュレーションの結果を示すグラフである。図５（Ａ）は、筐体の変位（ｍ）の時間変化を表し、図５（Ｂ）は、可動板の筐体に対する相対変位（ｍ）の時間変化を表し、図５（Ｃ）は、棒状体の垂直方向に対する角度（度）の時間変化を表す。 図４に示す倒立振子型車両のモデルの数値シミュレーションの結果を示すグラフである。図６（Ａ）は、筐体の速度（ｍ／秒）の時間変化を表し、図６（Ｂ）は、可動板の筐体に対する相対速度（ｍ／秒）の時間変化を表し、図６（Ｃ）は、棒状体の垂直方向に対する角速度（度／秒）の時間変化を表す。 従来の人間式ブレーキの倒立振子型車両のモデルの一例を示す説明図である。図７（Ａ）は、倒立振子型車両の通常走行時の動作を示す説明図であり、図７（Ｂ）は、倒立振子型車両のブレーキ動作時の動作を示す説明図である。 図７に示す倒立振子型車両のモデルの数値シミュレーションの結果を示すグラフである。図８（Ａ）は、筐体の変位（ｍ）を表し、図８（Ｂ）は、可動板の筐体に対する相対変位（ｍ）を表し、図８（Ｃ）は、筐体の速度（ｍ／秒）を表し、図８（Ｄ）は、可動板の筐体に対する相対速度（ｍ／秒）を表す。 従来の機械式ブレーキの倒立振子型車両のモデルの一例を示す説明図である。図９（Ａ）は、倒立振子型車両のモデルの通常走行時の動作を示す説明図であり、図９（Ｂ）は、倒立振子型車両のモデルのブレーキ動作時の動作を示す説明図である。 図９に示す倒立振子型車両のモデルの数値シミュレーションの結果を示すグラフである。図１０（Ａ）は、筐体の変位（ｍ）の時間変化を表し、図１０（Ｂ）は、可動板の筐体に対する相対変位（ｍ）の時間変化を表し、図１０（Ｃ）は、筐体の速度（ｍ／秒）の時間変化を表し、図１０（Ｄ）は、可動板の筐体に対する相対速度（ｍ／秒）の時間変化を表す。

以上に述べたように、
（ｉ）この発明の倒立振子型車両は、筐体と、前記筐体に設けられた車輪と、前記車輪の少なくとも一部の車輪を駆動輪として回転駆動する走行駆動部と、前記車輪を制動する制動部と、搭乗者を支持し、前後方向に傾斜可能かつ前記筐体に対して前後方向に相対変位可能に前記筐体上に設けられた可動板と、前記可動板を駆動する可動板駆動部と、前記可動板の水平方向からの傾斜角および傾斜角速度を計測する可動板傾斜センサと、前記走行駆動部および前記可動板駆動部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記筐体の走行中に前記制動部が動作していないとき、前記筐体に対して前記可動板を相対変位させず、前記可動板傾斜センサによって計測された前記可動板の傾斜角および傾斜角速度に基づき、倒立振子の原理によって搭乗者が安定した姿勢を保持するように前記走行駆動部をフィードバック制御し、一方、前記筐体の走行中に前記制動部が動作したとき、前記筐体に対して前記可動板を前後方向に相対変位させ、前記可動板傾斜センサによって計測された前記可動板の傾斜角および傾斜角速度に基づき、倒立振子の原理によって搭乗者が安定した姿勢を保持するように前記可動板駆動部をフィードバック制御することを特徴とする。

この発明の「走行駆動部」は、左前輪１１Ｌ、右前輪１１Ｒ、左後輪１２Ｌ、右後輪１２Ｒ、左側駆動モータ１２１Ｌ、右側駆動モータ１２１Ｒ、モータドライバ１２０の協働によって実現され、また、この発明の「制動部」は、ブレーキレバー１６および機械式のブレーキ１６０の協働によって実現され、また、この発明の「可動板駆動部」は、可動板駆動モータ１３１およびモータドライバ１３０の協働によって実現され、また、この発明の「可動板傾斜センサ」は、傾斜角検出部１４によって実現される。

「前記車輪を制動する制動部」について、制動部は、一部の車輪のみ（例えば、前輪または後輪等）を制動するものであってもよい。

（ii）この発明による倒立振子型車両において、前記筐体に対する前記可動板の相対変位および相対速度を計測する可動板変位センサをさらに備え、前記制御部は、前記筐体の走行中に前記制動部が動作したとき、前記可動板の傾斜角および傾斜角速度と、前記可動板の相対変位および相対速度とに基づき、倒立振子の原理によって搭乗者が安定した姿勢を保持し、かつ、前記筐体に対する前記可動板の相対変位が前記制動部の動作開始時の相対変位に最終的に戻るように前記走行駆動部および前記可動板駆動部をフィードバック制御するものであってもよい。

このようにすれば、機械式のブレーキによって車輪を制動した際も搭乗者が安定した状態で停止するだけでなく、前記筐体に対して可動板の相対変位が機械式のブレーキをかける前の状態に戻る倒立振子型車両を実現することができる。

（iii）この発明による倒立振子型車両において、前記可動板の水平方向からの傾斜角およびその傾斜角速度をそれぞれθおよびｄθ/ｄｔ、前記可動板の目標角度をθ_a、フィードバックゲインをｋ_v1、ｋ_v2、ｋ_1pおよびｋ_2pとしたとき、前記走行駆動部および前記可動板駆動部にそれぞれ与えられるフィードバック入力値ｆ_vおよびｆ_pは、
ｆ_v＝ｋ_1v（θ−θａ）＋ｋ_2v（ｄθ／ｄｔ）
ｆ_p＝ｋ_1pθ＋ｋ_2p（ｄθ／ｄｔ）
であってもよい。

このようにすれば、上記のフィードバック入力により、機械式のブレーキによって車輪を制動した際も搭乗者が安定した状態で停止する倒立振子型車両を実現することができる。

（iv）この発明による倒立振子型車両において、前記可動板の水平方向からの傾斜角およびその傾斜角速度をそれぞれθおよびｄθ/ｄｔ、前記可動板の目標角度をθ_a、前記筐体に対する前記可動板の前後方向の相対変位および相対速度をそれぞれｙおよびｄｙ／ｄｔ、フィードバックゲインをｋ_v1、ｋ_v2、ｋ_1p、ｋ_2p、ｋ_3pおよびｋ_4pとしたとき、前記走行駆動部および前記可動板駆動部にそれぞれ与えられるフィードバック入力値ｆ_vおよびｆ_pは、
ｆ_v＝ｋ_1v（θ−θ_a）＋ｋ_2v（ｄθ／ｄｔ）
ｆ_p＝ｋ_1pθ＋ｋ_2p（ｄθ／ｄｔ）＋ｋ_3pｙ＋ｋ_4p（ｄｙ／ｄｔ）
であってもよい。

このようにすれば、上記のフィードバック入力により、機械式のブレーキによって車輪を制動した際も搭乗者が安定した状態で停止するだけでなく、前記筐体に対して可動板の相対変位がブレーキをかける前の状態に戻る倒立振子型車両を実現することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の走行装置の一例としての倒立振子型車両１の実施形態について詳説する。なお、以下の実施例の記載によって、この発明が限定されるものではない。

（実施形態１）
＜倒立振子型車両１の構成＞
以下、図１および図２に基づき、この発明の実施形態１に係る倒立振子型車両１の概略構成を説明する。

図１は、この発明の実施形態１に係る倒立振子型車両１の概略構成を示す説明図である。図１（Ａ）は、側方から見た倒立振子型車両１の概略構成を示し、図１（Ｂ）は、前方から見た倒立振子型車両１の概略構成を示し、図１（Ｃ）は、上方から見た倒立振子型車両１の概略構成を示す。
図２は、図１に示す倒立振子型車両１の電気的な構成を示すブロック図である。

図１（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、この発明の倒立振子型車両１は、筐体１０、左前輪１１Ｌ、右前輪１１Ｒ、左後輪１２Ｌ、右後輪１２Ｒ、可動板１３、傾斜角検出部１４およびハンドル１５を備える。
以下、実施形態１の倒立振子型車両１の各構成要素を説明する。

筐体１０は、左前輪１１Ｌ、右前輪１１Ｒ、左後輪１２Ｌ、右後輪１２Ｒによって支持され、駆動輪としての左後輪１２Ｌ、右後輪１２Ｒにより、前進、後退、方向転換等の走行動作を行う。

左前輪１１Ｌおよび右前輪１１Ｒは、駆動輪としての左後輪１２Ｌ、右後輪１２Ｒによる筐体１０の走行動作に応じて駆動される従動輪として機能する。
図２に示すように、左後輪１２Ｌおよび右後輪１２Ｒは、モータドライバ１２０によって駆動される左側駆動モータ１２１Ｌおよび右側駆動モータ１２１Ｒによって、適当なトルクでそれぞれ回転させられる。

なお、実施形態１では、左後輪１２Ｌおよび右後輪１２Ｒを駆動輪とし、左前輪１１Ｌおよび右前輪１１Ｒを従動輪としたが、４つの車輪のうち、任意の一部または全ての車輪を駆動輪としてもよい。例えば、左前輪１１Ｌおよび右前輪１１Ｒを駆動輪とし、左後輪１２Ｌおよび右後輪１２Ｒを従動輪としてもよい。

可動板１３は、搭乗者を支持し、前後方向に傾斜可能かつ筐体１０に対して前後方向に相対変位可能に筐体１０上に設けられる。
具体的には、可動板１３は、前後方向に傾斜する傾斜部１３Ａおよび筐体１０に対して前後方向に相対変位する変位部１３Ｂの２つの部分から構成される。

図１（Ａ）において、可動板１３が前方に角度θ傾斜した場合を例示したが、可動板１３が後方に角度θ傾斜することもできる。
搭乗者は、身体を前後に傾けて重心を移動させることにより、可動板１３の角度θを自由に調節する。そして、可動板１３を前方に傾斜させたとき、筐体１０が加速し、可動板１３を後方に傾斜させたとき、筐体１０が減速するようにフィードバック入力ｆｖが与えられる。フィードバック入力ｆｖの詳細については後述する。

また、可動板１３は、筐体１０に対し、前方または後方にｙ変位することもできる。

図２に示すように、可動板１３は、モータドライバ１３０によって駆動される可動板駆動モータ１３１によって、前後方向に傾斜または筐体１０に対して前後方向に変位させられる。また、可動板１３の駆動はモータによるものに限定されず、例えば、油圧シリンダによって可動板１３を駆動させるようにしてもよい。

傾斜角検出部１４は、可動板１３の前後方向の傾斜角を検出する部分である。
図２に示すように、傾斜角検出部１４によって検出された可動板１３の傾斜角は、制御部１００に入力され、制御部１００は、当該傾斜角に基づき、適切なトルクを駆動輪に与えるべく、モータドライバ１２０に制御信号を送る。

ハンドル１５は、搭乗者によって把持され、可動板１３と一体となって前後方向に傾斜する。
搭乗者は、ハンドル１５に設けられたブレーキレバー１６を動作させることにより、駆動輪にブレーキ１６０をかける。
ブレーキ１６０の動作方式はどのようなものであってもよい。摩擦によって車輪を制動するブレーキであってもよいし、無励磁ブレーキなどの電磁ブレーキであってもよい。

＜倒立振子型車両１の走行動作＞
次に、図３に基づき、この発明の実施形態１に係る倒立振子型車両１の走行動作について説明する。

図３は、図１に示す倒立振子型車両１の走行動作処理の一例を示すフローチャートである。

倒立振子型車両１が走行動作を開始したとき、図３のステップＳ１において、制御部１００は、ブレーキ１６０が動作しているか否かを判定する（ステップＳ１）。

ブレーキ１６０が動作している場合（ステップＳ１の判定がＹｅｓの場合）、制御部１００は、ステップＳ２において、ブレーキ動作時のフィードバック入力値を算出する（ステップＳ２）。

続いて、制御部１００は、ステップＳ３において、算出されたフィードバック入力値に基づき、可動板１３を駆動させ、倒立振子の原理によって搭乗者の姿勢を安定させる（ステップＳ３）。
その後、制御部１００は、ステップＳ６の判定を行う（ステップＳ６）。

一方、ステップＳ１において、ブレーキ１６０が動作していない場合（ステップＳ１の判定がＮｏの場合）、制御部１００は、ステップＳ４において、通常走行時のフィードバック入力値を算出する（ステップＳ３）。

続いて、制御部１００は、ステップＳ５において、算出されたフィードバック入力値に基づき、駆動輪を駆動させ、倒立振子の原理によって搭乗者の姿勢を安定させる（ステップＳ５）。
なお、ブレーキ１６０が動作していないとき、可動板１３は、筐体１０に対して前後方向に相対変位しないよう、筐体１０上に固定されるものとする。
その後、制御部１００は、ステップＳ６の判定を行う（ステップＳ６）。

なお、ブレーキ動作時および通常走行時のフィードバック入力値の詳細については後述する。

最後に、ステップＳ６において、制御部１００は、筐体１０が停止したか否かを判定する（ステップＳ６）。
筐体１０が停止した場合（ステップＳ６の判定がＹｅｓの場合）、制御部１００は、倒立振子型車両１の走行動作処理を終了させる。
一方、筐体１０が停止していない場合（ステップＳ６の判定がＮｏの場合）、制御部１００は、ステップＳ１の判定を繰り返す（ステップＳ１）。

＜倒立振子型車両１のモデル＞
次に、図４に基づき、この発明の実施形態１の倒立振子型車両１のモデルについて説明する。

図４は、図１に示す倒立振子型車両１のモデルの一例を示す説明図である。図４（Ａ）は、倒立振子型車両１のモデルの通常走行時の動作を示す説明図であり、図４（Ｂ）は、倒立振子型車両１のモデルのブレーキ動作時の動作を示す説明図である。

図４（Ａ）に示すように、筐体１０の質量をＭｖとし、床面上の基準位置からの筐体１０の変位をｘ、また、筐体１０に与えるフィードバック入力をｆｖとする。
なお、変位ｘおよびフィードバック入力ｆｖの符号は、筐体１０の前進方向（図４の右方向）をプラス、後退方向（図４の左方向）をマイナスとする。その他のパラメータについても同様である。

簡単のため、初期状態において、図４（Ａ）に示すように、可動板１３の中心部は、筐体１０の中心部と一致し、筐体１０に対して前後方向に変位可能に設けられているものとする。また、可動板１３の質量をＭｐとする。

また、図４（Ｂ）に示すように、可動板１３の筐体１０の中心部を基準とした相対変位をｙとする。また、可動板１３に与えるフィードバック入力をｆｐとする。

図４のモデルにおいて、傾斜角検出部１４、ハンドル１５、ブレーキレバー１６および搭乗者をまとめて、質量ｍの棒状体１７で近似する。

なお、図１（Ａ）に示すように、可動板１３を傾斜部１３Ａおよび変位部１３Ｂに分けて考える場合、傾斜部１３Ａも棒状体１７に含まれ、変位部１３Ｂのみが筐体１０に対して前後方向に相対変位することになる。
しかし、ここでは簡単のため、筐体１０に対して前後方向に相対変位する部分のみを可動板１３とする。

棒状体１７は、その下端が可動板１３の中心部を基点として前後方向に回動可能に設けられるものとする。棒状体１７は、図４（Ａ）に示すように、垂直方向から角度θの傾きをなし、その慣性モーメントをＪとする。また、棒状体１７の下端から中心部までの距離をＬとする。

図４の各パラメータを表１に示す。

このとき、倒立振子型車両１のブレーキ１６０を動作させない通常走行時における筐体１０の床面上の基準位置からの変位ｘに関する運動方程式、筐体１０の中心部を基準とした可動板１３の相対変位ｙに関する運動方程式、および棒状体１７の垂直方向からの傾きの角度θに関する運動方程式は、次の表２のように表される。

通常走行時において、可動板１３は筐体１０に固定され、可動板１３と筐体１０が一体となって運動するため、筐体１０の中心部に対する可動板１３の相対加速度は、表２の可動板１３の運動方程式に示されるように、ゼロとなる。このとき、フィードバック入力は、筐体１０に与えるフィードバック入力ｆｖのみとなる。

また、通常走行時において、可動板１３は筐体１０と一体となって運動するため、表２の運動方程式には、筐体１０と可動板１３を合わせた質量（Ｍｖ＋Ｍｐ）がセットで現れる。

一方、倒立振子型車両１のブレーキ動作時における筐体１０の床面上の基準位置からの変位ｘに関する運動方程式、筐体１０の中心部を基準とした可動板１３の相対変位ｙに関する運動方程式、および棒状体１７の垂直方向からの傾きの角度θに関する運動方程式は、次の表３のように表される。

ブレーキ動作時において、筐体１０は床面に対して急停止したとき、筐体１０の床面に対する相対加速度は、表３の筐体１０の運動方程式に示されるように、ゼロとなる。このとき、フィードバック入力は、可動板１３に与えるフィードバック入力ｆｐのみとなる。

また、ブレーキ動作時において、可動板１３の筐体１０への固定が解除されるため、可動板１３は筐体１０に対して前後方向の相対運動を開始する。このとき、床面上に停止した筐体１０上を可動板１３および棒状体１７が運動するため、表３の運動方程式には、筐体１０の質量Ｍｖは現れない。

表２および表３の筐体１０および可動板１３に与えるフィードバック入力ｆｖおよびｆｐは、次の表４のように与えられる。

表４において、θaは棒状体１７の目標角度を表し、ki(i=1v, 2v, 1p, 2p, 3p, 4p)は、フィードバックゲインを表す。
また、可動板１３に与えるフィードバック入力ｆｐの右辺４項のうち、可動板１３の相対変位ｙおよびその時間微分に関する２つの項は、筐体１０の停止後、可動板１３を相対変位の開始前の位置に戻すための入力である。

（実施例１）
次に、実施例１として、図５および図６に基づき、この発明の実施形態１に係る倒立振子型車両１のモデルの数値シミュレーションの結果について説明する。

図５は、図４に示す倒立振子型車両１のモデルの数値シミュレーションの結果を示すグラフである。図５（Ａ）は、筐体１０の変位（ｍ）の時間変化を表し、図５（Ｂ）は、可動板１３の筐体１０に対する相対変位（ｍ）の時間変化を表し、図５（Ｃ）は、棒状体１７の垂直方向に対する角度（度）の時間変化を表す。
図６は、図４に示す倒立振子型車両１のモデルの数値シミュレーションの結果を示すグラフである。図６（Ａ）は、筐体１０の速度（ｍ／秒）の時間変化を表し、図６（Ｂ）は、可動板１３の筐体１０に対する相対速度（ｍ／秒）を表し、図６（Ｃ）は、棒状体１７の垂直方向に対する角速度（度／秒）を表す。

実施例１では、停止状態から棒状体１７の目標角度θaを５度に傾けて、倒立振子型車両１を２秒間加速させた後、急ブレーキをかけて車体速度が０（ｍ／秒）になった場合を想定した数値シミュレーションを行った。

表５に、実施例１の数値シミュレーションで用いたパラメータの値を示す。

図６（Ａ）に示すように、筐体１０を２秒間一定の加速度で加速した後、急停止させる。このとき、図５（Ａ）に示すように、筐体１０は、１．７５ｍ付近で停止することがわかる。

図５（Ｂ）および図６（Ｂ）に示すように、筐体１０が急停止したとき、可動板１３の筐体１０に対する固定が解除されるため、可動板１３は、筐体１０に対し、前方への相対運動を開始する。
しかしながら、フィードバック入力ｆｐを受けた可動板１３はその後、急速に減速し、２．５秒付近で筐体１０に対し、後方に相対運動し、相対運動開始前の位置に戻されることがわかる。

一方、図５（Ｃ）および図６（Ｃ）に示すように、筐体１０が急停止したとき、棒状体１７は、瞬間的に後方に約２度回転するが、その後すぐに前方に引き戻されて倒立状態（θ＝０度）に戻ることがわかる。

このように、ブレーキ１６０の動作により、加速状態から筐体１０が急停止したとしても、停止時に適切なフィードバック入力ｆｐを与えられた可動板１３が筐体１０に対して相対運動することにより、棒状体１７の倒立状態の安定化を図ることが可能となる。

特に、図５（Ｂ）に示すように、停止時の可動板１３の移動距離は約０．３５ｍとなるため、車両設計寸法として現実的な値で、搭乗者の姿勢の安定化を実現できることがわかる。

（比較例１）
次に、比較例１として、図７および図８に基づき、従来の人間式ブレーキの倒立振子型車両１Ａのモデルの数値シミュレーションの結果について説明する。

図７は、従来の人間式ブレーキの倒立振子型車両１Ａのモデルの一例を示す説明図である。図７（Ａ）は、倒立振子型車両１Ａのモデルの加速時の動作を示す説明図であり、図７（Ｂ）は、倒立振子型車両１Ａのモデルの減速時の動作を示す説明図である。
図８は、図７に示す倒立振子型車両１Ａのモデルの数値シミュレーションの結果を示すグラフである。図８（Ａ）は、筐体１０の変位（ｍ）の時間変化を表し、図８（Ｂ）は、棒状体１７の垂直方向に対する角度（度）の時間変化を表し、図８（Ｃ）は、筐体１０の速度（ｍ／秒）の時間変化を表し、図８（Ｄ）は、棒状体１７の垂直方向に対する角速度（度／秒）の時間変化を表す。

従来の人間式ブレーキの倒立振子型車両１Ａは、ブレーキ１６０および可動板１３を備えず、搭乗者が身体を前後に傾けて重心を移動させることによって、筐体１０の速度を制御する。

このような人間式ブレーキの倒立振子型車両１Ａのモデルを図７に示す。
図７（Ａ）に示すように、棒状体１７を前方に角度θ₁傾斜させて筐体１０を加速させ、図７（Ｂ）に示すように、棒状体１７を後方に角度θ₂傾斜させて筐体１０を減速させるものとする。

図７の各パラメータを表６に示す。

このとき、倒立振子型車両１Ａの加速時および減速時の筐体１０および棒状体１７の運動方程式は、次の表７のように表される。

また、筐体１０に与えるフィードバック入力ｆｖは、次の表８のように与えられるものとする。

表８において、θaは棒状体１７の目標角度を表し、ki(i=1v, 2v)は、フィードバックゲインを表す。

比較例１では、停止状態から棒状体１７の目標角度θaを５度に傾けて倒立振子型車両１Ａを２秒間加速させる。その後、棒状体１７の目標角度θaを−５度に傾けて倒立振子型車両１Ａを減速させることにより、車体速度が０（ｍ／秒）になった場合を想定した数値シミュレーションを行った。

表９に、比較例１の数値シミュレーションで用いたパラメータの値を示す。

図８（Ａ）に示すように、筐体１０を２秒間一定の加速度で加速した後、棒状体１７の目標角度θaを−５度に傾けて、倒立振子型車両１Ａを減速させようとしても、筐体１０はすぐに停止せず、その後も約２秒間、約３ｍ前方に進んでしまうことがわかる。

このように、搭乗者が身体を後方に傾けて筐体１０を停止させようとしても、筐体１０はすぐに止まらず、前方に数ｍ進んでしまう。

また、図８（Ｄ）に示すように、実施例１においては、約０．１秒もの短時間の間に棒状体１７を後方に６０度傾斜させている。このことから、特に、迅速な動作を行うことのできない高齢者がこのような人間式ブレーキの倒立振子型車両１Ａを利用すれば、筐体１０の減速が間に合わずに、前方の歩行者や壁などに衝突してしまう問題が顕著に現れることが予想される。

（比較例２）
次に、比較例２として、図９および図１０に基づき、従来の機械式ブレーキの倒立振子型車両１Ｂのモデルの数値シミュレーションの結果について説明する。
なお、ここでは、比較例１の搭乗者の重心移動によって筐体１０を減速させる「人間式ブレーキ」に対し、摩擦等によって機械的に車輪を制動するブレーキを「機械式ブレーキ」として区別することにする。

図９は、従来の機械式ブレーキの倒立振子型車両１Ｂのモデルの一例を示す説明図である。図９（Ａ）は、倒立振子型車両１Ｂのモデルの通常走行時の動作を示す説明図であり、図９（Ｂ）は、倒立振子型車両１Ｂのモデルのブレーキ動作時の動作を示す説明図である。
図１０は、図９に示す倒立振子型車両１Ｂのモデルの数値シミュレーションの結果を示すグラフである。図１０（Ａ）は、筐体１０の変位（ｍ）の時間変化を表し、図１０（Ｂ）は、棒状体１７の垂直方向に対する角度（度）の時間変化を表し、図１０（Ｃ）は、筐体１０の速度（ｍ／秒）の時間変化を表し、図１０（Ｄ）は、棒状体１７の垂直方向に対する角速度（度／秒）の時間変化を表す。

従来の機械式ブレーキの倒立振子型車両１Ｂは、可動板１３を備えず、機械式のブレーキ１６０のみで車輪を制動する。

比較例２の倒立振子型車両１Ｂのモデルを図９に示す。
図９に示すように、棒状体１７を前方に角度θ傾斜させて筐体１０を加速させ、その後、機械式のブレーキ１６０により、筐体１０を急停止させるものとする。

図９の各パラメータは、表６と同一のものを採用した。

このとき、倒立振子型車両１Ｂのブレーキ１６０を動作させない通常走行時における筐体１０および棒状体１７の運動方程式は、次の表１０のように表される。これらの運動方程式は、表７の運動方程式と同じである。

一方、倒立振子型車両１Ｂのブレーキ動作時における筐体１０および棒状体１７の運動方程式は、次の表１１のように表される。

ブレーキ動作時において、筐体１０は床面に対して停止しているため、筐体１０の床面に対する相対加速度は、表１１の筐体１０の運動方程式に示されるように、ゼロとなる。

また、筐体１０に与えるフィードバック入力ｆｖは、次の表１２のように与えられるものとする。

表１２において、θaは棒状体１７の目標角度を表し、ki(i=1v, 2v)は、フィードバックゲインを表す。

比較例２では、停止状態から棒状体１７の目標角度θaを５度に傾けて、筐体１０を２秒間加速させた後、ブレーキ１６０により車輪を制動して、車体速度が０（ｍ／秒）になった場合を想定した数値シミュレーションを行った。

比較例２の数値シミュレーションで用いたパラメータの値は表９と同じである。

図１０（Ｃ）に示すように、筐体１０を２秒間一定の加速度で加速した後、ブレーキ１６０を動作させて急停止させる。このとき、図１０（Ａ）に示すように、筐体１０は、１．７５ｍ付近で停止することがわかる。

しかしながら、図１０（Ｂ）に示すように、棒状体１７の角度は、急速に９０度に達するため、急停止によって棒状体１７が前方に転倒することがわかる。
このように、ブレーキ１６０の動作により、加速状態から筐体１０を急停止させたとき、その反動で、棒状体１７が前方に転倒してしまうため、安全性に問題がある。

一方、この発明では、筐体１０の前後方向に傾斜可能であり、かつ、筐体１０に対して前後方向に相対変位可能な可動板１３を筐体１０上に設け、可動板１３に適切なフィードバック入力ｆｐを与えることにより、従来の人間式ブレーキの倒立振子型車両１Ａおよび機械式ブレーキの１Ｂの倒立振子型車両１Ｂの問題点を解決する。
このような可動板１３を筐体１０上に設けることにより、ブレーキ１６０によって急停止した際も、搭乗者の姿勢の安定化を図ることのできる倒立振子型車両１が実現される。

この発明の好ましい態様は、上述した複数の態様のうちの何れかを組み合わせたものも含む。
前述した実施形態の他にも、この発明について種々の変形例があり得る。それらの変形例は、この発明の範囲に属さないと解されるべきものではない。この発明には、請求の範囲と均等の意味及び前記範囲内でのすべての変形とが含まれるべきである。

１：倒立振子型車両、 １Ａ：従来の人間式ブレーキの倒立振子型車両、 １Ｂ：従来の機械式ブレーキの倒立振子型車両、 １０：筐体、 １１Ｌ：左前輪、 １１Ｒ：右前輪、 １２Ｌ：左後輪、 １２Ｒ：右後輪、 １３：可動板、 １３Ａ：傾斜部、 １３Ｂ：変位部、 １４：傾斜角検出部、 １５：ハンドル、 １６：ブレーキレバー、 １７：棒状体、 １００：制御部、 １２０，１３０：モータドライバ、 １２１Ｌ：左側駆動モータ、 １２１Ｒ：右側駆動モータ、 １３１：可動板駆動モータ、 １６０：ブレーキ、 ｆｐ，ｆｖ：フィードバック入力、 ｍ，Ｍｐ，Ｍｖ：質量、 ｘ：変位、 ｙ：相対変位

Claims (4)

1. 筐体と、前記筐体に設けられた３輪以上の車輪と、前記車輪の少なくとも一部の車輪を駆動輪として回転駆動する走行駆動部と、前記車輪を制動する制動部と、搭乗者を支持し、前後方向に傾斜可能かつ前記筐体に対して前後方向に相対変位可能に前記筐体上に設けられた可動板と、前記可動板を駆動する可動板駆動部と、前記可動板の水平方向からの傾斜角および傾斜角速度を計測する可動板傾斜センサと、前記走行駆動部および前記可動板駆動部を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記筐体の走行中に前記制動部が動作していないとき、前記筐体に対して前記可動板を相対変位させず、前記可動板傾斜センサによって計測された前記可動板の傾斜角および傾斜角速度に基づき、倒立振子の原理によって搭乗者が安定した姿勢を保持するように前記走行駆動部をフィードバック制御し、
   一方、前記筐体の走行中に前記制動部が動作したとき、前記筐体に対して前記可動板を前方に相対変位させた後、後方に相対変位させ、前記可動板傾斜センサによって計測された前記可動板の傾斜角および傾斜角速度に基づき、倒立振子の原理によって搭乗者が安定した姿勢を保持するように前記可動板駆動部をフィードバック制御することを特徴とする倒立振子型車両。
2. 前記筐体に対する前記可動板の相対変位および相対速度を計測する可動板変位センサをさらに備え、
   前記制御部は、前記筐体の走行中に前記制動部が動作したとき、前記可動板の傾斜角および傾斜角速度と、前記可動板の相対変位および相対速度とに基づき、倒立振子の原理によって搭乗者が安定した姿勢を保持し、かつ、前記筐体に対する前記可動板の相対変位が前記制動部の動作開始時の相対変位に最終的に戻るように前記走行駆動部および前記可動板駆動部をフィードバック制御する請求項１に記載の倒立振子型車両。
3. 前記可動板の水平方向からの傾斜角をθ、前記可動板の傾斜角速度をｄθ/ｄｔ、前記
   可動板の目標角度をθ_a、フィードバックゲインをｋ_v1、ｋ_v2、ｋ_1pおよびｋ_2pとしたと
   き、前記走行駆動部および前記可動板駆動部へのフィードバック入力値ｆ_vおよびｆ_pが、
   ｆ_v＝ｋ_1v（θ−θａ）＋ｋ_2v（ｄθ／ｄｔ）
   ｆ_p＝ｋ_1pθ＋ｋ_2p（ｄθ／ｄｔ）
   で与えられる請求項１に記載の倒立振子型車両。
4. 前記可動板の水平方向からの傾斜角をθ、前記可動板の傾斜角速度をｄθ/ｄｔ、前記
   可動板の目標角度をθ_a、前記筐体に対する前記可動板の前後方向の相対変位および相対
   速度をそれぞれｙおよびｄｙ／ｄｔ、フィードバックゲインをｋ_v1、ｋ_v2、ｋ_1p、ｋ_2p、ｋ_3pおよびｋ_4pとしたとき、前記走行駆動部および前記可動板駆動部へのフィードバック入力値ｆ_vおよびｆ_pが、
   ｆ_v＝ｋ_1v（θ−θ_a）＋ｋ_2v（ｄθ／ｄｔ）
   ｆ_p＝ｋ_1pθ＋ｋ_2p（ｄθ／ｄｔ）＋ｋ_3pｙ＋ｋ_4p（ｄｙ／ｄｔ）
   で与えられる請求項２に記載の倒立振子型車両。

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