WO2007088944A1

WO2007088944A1 - 平行二輪倒立振子型の走行体

Info

Publication number: WO2007088944A1
Application number: PCT/JP2007/051729
Authority: WO
Inventors: Koji Yamada; Masaaki Yamaoka; Toshio Fuwa; Mitsuo Koide
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2007-02-01
Publication date: 2007-08-09
Also published as: US7823676B2; JP4291822B2; CN101378951A; CN101378951B; JP2007203965A; EP1980479A1; EP1980479A4; US20090051136A1; EP1980479B1

Description

明細書

平行二輪倒立振子型の走行体

技術分野

[0001] 本出願は、 2006年 2月 3日に出願された日本国特許出願第 2006— 027481号に基づく優先権を主張する。その出願の全ての内容はこの明細書中に参照により援用されている。

本発明は、一対の車輪と、一対の車輪を同軸上で回転可能に支持する車台と、車台に対して車輪を回転させる車輪用ァクチユエータと、車台に支持されて！ヽる車体と、車台を倒立させるように、車輪用ァクチユエータを制御する倒立制御装置とを備える平行二輪倒立振子型の走行体に関する。

背景技術

[0002] 平行二輪倒立振子型の走行体は、一対の車輪と、一対の車輪を同軸上で回転できるように支持する車台と、車台に対して車輪を回転させる車輪用ァクチユエータと、車台に支持されている車体を備えており、その一例が特開昭 63— 305082号公報に開示されている。この種の平行二輪倒立振子型の走行体は、倒立制御装置によつて車輪用ァクチユエータを制御し、車台が倒立している状態を維持しながら走行する。通常は、車輪の回転角と、車輪の回転角速度と、車台の傾斜角と、車台の傾斜角速度を検出し、その検出結果に基づいて車輪用ァクチユエータのトルクを制御することによって、車台が倒立した姿勢を維持し、車体が接地しない結果を実現している。平行二輪倒立振子型の走行体は、車台が倒立した姿勢を維持しながら、移動したり静止したり旋回したりすることができる。

なお本明細書では、回転角や傾斜角は鉛直方向を基準に表現する。例えば車輪の回転角とは、車輪に固定されて車輪の半径方向に伸びる基準線と鉛直線がなす角度をいう。また車台の傾斜角とは、車台に固定されている基準線と鉛直線がなす角度をいう。

[0003] 平行二輪倒立振子型の走行体では、車台と車輪の間でトルクを発生させて車輪を回転させる。車輪が回転することによって、走行体は走行したり旋回したり停止したりする。車輪を回転させると、その反作用によって、車輪から車台へトルクが作用し、車台が傾斜する。平行二輪倒立振子型の走行体では、車輪から車台に作用したトルクによって傾斜した車台に作用する重力によるモーメントと、車台に作用する慣性力によるモーメントと、車輪から車台へ作用するトルクが釣り合うようにして、車台を倒立した姿勢に維持する。

[0004] 例えば停止した状態力走行を開始する場合には、結果として車台が進行方向前方へ傾斜するようなトルクが車輪に加えられるように、車輪用ァクチユエータを制御する。前方へ傾斜した車台に作用する重力によるモーメントと、車台に作用する慣性力によるモーメントと、車輪から車台へ作用するトルクが釣り合い、車台が倒立姿勢を維持しながら走行体は走行を開始する。

[0005] 走行している状態力停止する場合には、結果として車台が進行方向後方へ傾斜するようなトルクが車輪に加えられるように、車輪用ァクチユエータを制御する。後方へ傾斜した車台に作用する重力によるモーメントと、車台に作用する慣性力によるモ一メントと、車輪から車台へ作用するトルクが釣り合い、車台が倒立姿勢を維持しながら走行体は走行を停止する。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] 平行二輪倒立振子型の走行体では、走行中に急停止した!/ヽ場合でも、急制動することが難しぐ制動距離が長くなつてしまうという問題がある。急制動すると大きな慣性力が車台に作用することから、車台を後方に大きく傾斜させなければならない。従来の平行二輪倒立振子型の走行体では、車台に対して車体 (人間が搭乗する搭乗席や、荷物を載置する載置台などが設置されている）が固定されており、急制動のために車台が後方に大きく傾斜すると、車体までもが後方に大きく傾斜してしまう。それでは搭乗員の姿勢が不安定になってしまう。人間の代わりに荷物を載置する走行体の場合でも、荷物の姿勢が不安定になってしまう。従って、従来の平行二輪倒立振子型の走行体では、急制動することが難しぐ制動距離が長くなつてしまっていた。しかしながら、人間と平行二輪倒立振子型の走行体が安全に共存するためには、走行体の周囲の安全を確保するために、平行二輪倒立振子型の走行体が急制動できることが必要とされる。走行体の周囲の安全と、搭乗員の安全を確保するためには、車体を大きく傾斜させることなぐ急制動することが可能な技術が必要とされる。

[0007] 本発明は上記課題を解決する。本発明では、平行二輪倒立振子型の走行体にお V、て、車体を後方に大きく傾斜させな!/、でも急制動することが可能な技術を提供する

課題を解決するための手段

[0008] 本発明で創作された平行二輪倒立振子型の走行体は、一対の車輪と、一対の車輪を同軸上で回転可能に支持する車台と、車台に対して車輪を回転させる車輪用ァクチユエータと、車台に支持されている車体と、車台を倒立させるように、車輪用ァクチユエータを制御する倒立制御装置とを備えている。その走行体では、車体は車台に対して走行体の進行方向に関して相対的に移動可能に車台に支持されている。その走行体はさらに、車台に対して車体を走行体の進行方向に関して相対的に移動させる姿勢用ァクチユエータと、進行している走行体の制動を開始する際に車台に対して車体を走行体の進行方向の逆方向に移動させるように姿勢用ァクチユエータを制御する制動姿勢制御装置を備えて、る。

[0009] 従来の平行二輪倒立振子型の走行体では、一対の車輪を支持する部分と車体が固定されている部分が剛的に一体化されており、全体が車台となっていた。剛体であつて姿勢が変えられない車台を用いる限り、急制動時には車台を後方に大きく傾斜させる必要があり、車体までもが後方に大きく傾斜してしまうことが避けられな力つた。本発明の平行二輪倒立振子型の走行体では、一対の車輪を支持する車台と、人間が搭乗したり荷物を載置したりする車体が分離されており、姿勢用ァクチユエータによって両者の相対的位置関係が可変となっている。すなわち、一対の車輪を支持する車台に対して車体を進行方向と反対側に移動させることによって、車輪に対する重心の位置を進行方向と反対側に移動させることができる。これができると、急制動時に車体を後方に大きく傾斜させる必要がなくなる。車台に対して車体を進行方向と反対側に移動させることによって、車輪に対する重心の位置を進行方向と反対側に移動させることができることから、車台を後方に傾斜させたのと同じ結果が得られるからである。本発明の平行二輪倒立振子型の走行体は、制動開始時に姿勢用ァクチユエータを作動させて車台に対して車体を進行方向と反対側に移動させる制動姿勢制御装置を備えているために、車体を後方に大きく傾斜させることなく急制動することができる。搭乗員や荷物の姿勢を不安定にさせな!、で走行体を急制動することができる。

[0010] また本発明の平行二輪倒立振子型の走行体では、制動が間に合わずに万が一障害物に衝突してしまう場合でも、制動の開始に伴って車体を後方へ避難させているため、搭乗者や荷物等を危険から回避させることができる。

[0011] 本発明では、車台に対して車体を進行方向と反対側に移動させた状態で制動することから、車台を後方に傾斜させる角度が小さくてすむ。そのためには、車台に対して車体が進行方向に移動可能であるという 1自由度があればよい。

より改善された技術では、制動中にも車体の傾斜角（すなわち鉛直線力の角度）が変わらないことが好ましい。すなわち、車台に対して車体が進行方向に移動可能であり、し力も車台に対して車体が進行方向を含む鉛直面内で揺動可能であることが好ましい。このためには、車台と車体の間に部材を介在させ、 2自由度を確保する

[0012] 本発明の一つの改良された走行体は、車体は車台に対して介在部材を介して支持されてている。その介在部材は、車台に対して進行方向を含む鉛直面内で揺動可能に接続されてヽるとともに、車体を進行方向に沿ってスライド可能に支持してヽる。その走行体では、姿勢用ァクチユエータが、車台に対して介在部材を揺動させる第 1 ァクチユエータと、介在部材に対して車体をスライドさせる第 2ァクチユエータを備えている。

[0013] 上記の改良された走行体によると、介在部材の傾斜角（すなわち鉛直線からの角度）を変えないで車台に対して車体を進行方向と反対側に移動させることができる。介在部材の傾斜角が変わらなければ、車体はそれにスライドするだけであることから、車体の傾斜角（すなわち鉛直線からの角度)も変わらず、車体に搭乗している人間や、車体に搭載している荷物は、制動時に傾斜することがない。上記の改良された走行体によると、車体の傾斜角を一定範囲に保って急制動することができる。

[0014] 別の構成で、車台と車体の間に 2自由度を確保することもできる。本発明の他の一つの改良された走行体は、車体は車台に対して介在部材を介して支持されている。その介在部材は、車台に対して進行方向を含む鉛直面内で揺動可能に接続されているとともに、車体を進行方向を含む鉛直面内で揺動可能に支持している。その走行体では、姿勢用ァクチユエータが、車台に対して介在部材を揺動させる第 1ァクチユエータと、介在部材に対して車体を揺動させる第 2ァクチユエータを備えて、る。

[0015] 上記の走行体では、車台の傾斜角（すなわち鉛直線からの角度）、車台に対する介在部材の相対的な角度、介在部材に対する車体の相対的な角度によって、車体の傾斜角（すなわち鉛直線からの角度）が決まる。車台に対する介在部材の相対的な角度と介在部材に対する車体の相対的な角度を調整することによって、車台に対して車体を進行方向と反対側に移動させた姿勢に調整し、車体の傾斜角を一定範囲に保つことができる。上記の改良された走行体によると、車体の傾斜角を一定範囲に保って急制動することができる。

し力も、この構成によると、車体の傾斜角を一定範囲に保ちながら、車体の高さを変えることができる。人間が搭乗する場合には乗り降りが容易化され、荷物を載置する場合には荷物の積み下ろし作業が容易化される。

[0016] 車台が剛的である場合、機械的ブレーキを採用して車台に対する車輪の回転を拘束すると、倒立制御装置だけでは車台の倒立を維持するように制御することが難しい。例えば走行中に機械的ブレーキを利用して急制動すると、慣性力によって車台は進行方向に傾斜する。すると倒立制御装置は、転倒を防止するために車輪を加速する制御を行う。機械的ブレーキによって拘束されている車輪を加速する制御を行うために、倒立制御装置だけでは制御不能に陥ってしまう。

し力しながら、本発明では、剛的であった車台と車体を分離して、両者の相対的位置関係をァクチユエータによって制御する方式を採用しているために、車輪と車台の間に機械的ブレーキを設置することが可能となり、倒立制御装置が制御不能に陥つてしまうことがない。車台と車体の間に存在する少なくとも 1自由度を活用して制御し続けられるからである。

[0017] 本発明の改良された走行体では、車輪を車台に対して制動する機械的ブレーキが設置されている。この走行体では、機械的ブレーキの強い制動力を利用し、車体の傾斜角を一定範囲に保ちながら急制動することができる。

発明の効果

[0018] 本発明の平行二輪倒立振子型の走行体によれば、車体を大きく傾斜させないで急制動することができる。人間と走行体が安全に共存することを可能とする。

車台と車体の間に 2自由度を確保すると、車体の傾斜角を積極的に制御することが可能となり、制動中の人間または荷物の姿勢を安定化させることができる。

本発明を利用すると、機械的ブレーキを導入することが可能となり、機械的ブレーキの強い制動力を利用してさらに急制動することができる。

図面の簡単な説明

[0019] [図 1]図 1は第 1実施例の走行体 10の側面図である。

[図 2]図 2は第 1実施例の走行体 10の正面図である。

[図 3]図 3は第 1実施例の走行体 10の機構を模式的に示す図である。

[図 4]図 4は第 1実施例の走行制御モジュール 44、姿勢制御モジュール 45の構成を示すブロック図である。

[図 5]図 5は第 1実施例の走行体 10の急ブレーキ動作の流れを示すフローチャートである。

[図 6A]図 6Aと図 6Bは第 1実施例の走行体 10の急ブレーキ動作の様子を示す図である。図 6Aは走行中の走行体 10を示す図である。

[図 6B]図 6Aと図 6Bは第 1実施例の走行体 10の急ブレーキ動作の様子を示す図である。図 6Bは制動中の走行体 10を示す図である。

[図 7]図 7は第 2実施例の走行体 110の側面図である。

[図 8A]図 8Aと図 8Bは第 2実施例の走行体 110の急ブレーキ動作の様子を示す図である。図 8Aは走行中の走行体 110を示す図である。

[図 8B]図 8Aと図 8Bは第 2実施例の走行体 110の急ブレーキ動作の様子を示す図である。図 8Bは制動中の走行体 110を示す図である。

[図 9]図 9は第 2実施例の走行体 110を停止させた状態を示す図である。

発明を実施するための最良の形態 [0020] 最初に、以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。

(形態 1) 走行体は、人間が着席可能な搭乗席を車体に備えており、搭乗者を乗せて走行することができる。搭乗者の操作によって制動処理を開始し、制動姿勢制御装置によって姿勢用ァクチユエータを作動させて車台に対して車体を進行方向と反対側に移動させる。

(形態 2) 走行体は、障害物を検知するセンサを備えており、障害物を検知すると制動処理を開始し、制動姿勢制御装置によって姿勢用ァクチユエータを作動させて車台に対して車体を進行方向と反対側に移動させる。

(形態 3) 走行体は、制動処理を開始すると、機械的ブレーキによって制動する。実施例

[0021] (第 1実施例）

本発明の第 1実施例について図面を参照しながら説明する。図 1は本実施例の走行体 10を側面から見た図であり、図 2は走行体 10を正面から見た図である。

走行体 10は、右駆動輪 18と、左駆動輪 20と、車台 16と、介在リンク 14と、車体 12 を備えている。

右駆動輪 18と左駆動輪 20は、一対の車輪に相当する。車台 16は、マウント 28と口ッド 26を備えている。マウント 28とロッド 26は、一体的に形成されている。マウント 28 は、車軸 30を介して右駆動輪 18を回転可能に支持しており、車軸 32を介して左駆動輪 20を回転可能に支持している。車軸 30と車軸 32は、同一の回転軸 C1上に揃えられている。車台 16は、右駆動輪 18と左駆動輪 20を同軸上に揃えた状態に維持し、右駆動輪 18と左駆動輪 20が独立に回転できるように右駆動輪 18と左駆動輪 20 を支持している。介在リンク 14は、ロッド 26の上端に対して回転軸 15まわりに揺動可能に接続されている。介在リンク 14は、走行体 10の進行方向を含む鉛直面（図 1の紙面）内で揺動可能である。また介在リンク 14は、車体 12を、走行体 10の進行方向 (図 1の左右方向）に沿ってスライド可能に支持している。車体 12は、一体的に形成された搭乗席 22とハウジング 24を備えている。介在リンク 14は、介在部材に相当する。車体 12は車台 16に対して介在リンク 14を介して支持されている。

[0022] マウント 28には、車軸 30を介して右駆動輪 18をマウント 28に対して回転させる右輪駆動モータ 34と、車軸 32を介して左駆動輪 20をマウント 28に対して回転させる左輪駆動モータ 36が設置されている。右輪駆動モータ 34と左輪駆動モータ 36は独立に制御可能である。右輪駆動モータ 34と左輪駆動モータ 36は、車輪用ァクチユエ一タに相当する。

[0023] 走行体 10は、車台 16に対して介在リンク 14を回転軸 15の周りに揺動させる関節駆動モータ 38を備えている。関節駆動モータ 38は、介在リンク 14に搭載されている。関節駆動モータ 38は、第 1ァクチユエータに相当する。

走行体 10は、介在リンク 14に対して車体 12を走行体 10の進行方向に沿って前後両方向にスライドさせるリニアモータ 40を備えている。リニアモータ 40は、ハウジング 24に搭載されている。リニアモータ 40は、第 2ァクチユエータに相当する。

[0024] 走行体 10は、右輪駆動モータ 34と左輪駆動モータ 36と関節駆動モータ 38とリニアモータ 40に電力を供給するノッテリモジュール 42と、右輪駆動モータ 34と左輪駆動モータ 36を制御する走行制御モジュール 44と、関節駆動モータ 38とリニアモータ 40 の動作を制御する姿勢制御モジュール 45と、走行体 10の搭乗者が操作する操作モジュール 46を備えている。走行制御モジュール 44は、走行体 10の搭乗者が操作モジュール 46に加えた操作に追従して、右輪駆動モータ 34と左輪駆動モータ 36を制御し、走行体 10の走行を制御する。姿勢制御モジュール 45は、関節駆動モータ 38 とリニアモータ 40を制御し、車台 16に対する車体 12の相対的位置関係を制御する。走行制御モジュール 44は、倒立制御装置に相当する。姿勢制御モジュール 45は、制動姿勢制御装置に相当する。

[0025] 走行体 10は、車台 16に対する介在リンク 14の揺動角を検出する関節エンコーダ 5 0と、介在リンク 14に対する車体 12のスライド量を検出する変位計 56と、車体 12の傾斜角速度を検出するジャイロセンサ 48を備えている。車体 12の傾斜角は、走行体 1 0の進行方向前方に向けて車体 12が傾斜している場合を正とし、走行体 10の進行方向後方に向けて車体 12が傾斜している場合を負とする。また走行体 10は、車台 1 6に対する右駆動輪 18の回転角を検出する右輪エンコーダ 52と、車台 16に対する左駆動輪 20の回転角を検出する左輪エンコーダ 54を備えている。

[0026] 図 1に示すように、走行体 10は、ハウジング 24に搭載された光学式の障害物検知センサ 58を備えている。障害物検知センサ 58は、走行体 10の前方に障害物を検知すると、検知信号を出力する。

[0027] 図 2に示すように、走行体 10は、マウント 28に搭載された機械式ブレーキ 60、 62を備えている。機械式ブレーキ 60は、通常は右駆動輪 18とは接触しておらず、ブレーキ動作時に右駆動輪 18に接触して、摩擦力によって右駆動輪 18の車台 16に対する回転を拘束する。機械式ブレーキ 62は、通常は左駆動輪 20とは接触しておらず、ブレーキ動作時に左駆動輪 20に接触し、摩擦力によって左駆動輪 20の車台 16に対する回転を拘束する。

[0028] 操作モジュール 46には、操作レバー（図示されない）とブレーキレバー（図示されない）が設けられている。操作レバーは、搭乗者が走行体 10の走行速度や走行方向を調整するための操作部材である。搭乗者は、操作レバーの操作量を調整すること〖こよって走行体 10の走行速度を調整することができる。また搭乗者は、操作レバーの操作方向を調整することによって走行体 10の走行方向を調整することができる。走行体 10は、操作レバーに加えられた操作に応じて、前進、停止、後退、左折、右折、左旋回、右旋回等をすることができる。また搭乗者は、ブレーキレバーを倒すことによつて、走行体 10を制動することができる。

[0029] 図 3は走行体 10の機構を模式的に示している。右駆動輪 18、左駆動輪 20は、車台 16の下部に回転可能に連結しており、それぞれが路面 Rに接地している。車台 16 の上部に対して介在リンク 14が鉛直面内で揺動可能に連結されている。介在リンク 1 4に対して車体 12が前後両方向にスライド可能に連結されて、る。

[0030] 以下の説明では、図 3に示すように、鉛直線 VIからの右駆動輪 18の基準線 18aの回転角を θ 1とし、鉛直線 VIからの左駆動輪 20の基準線 20aの回転角を Θ 2とし、鉛直線 VIからの車台 16の傾斜角を 7?とし、鉛直線 VIからの介在リンク 14の傾斜角 (すなわち鉛直線 VIからの車体 12の傾斜角に等しい)を σとする。また、右駆動輪 1 8の車台 16に対する相対的な回転角を Θ 1とし、左駆動輪 20の車台 16に対する相対的な回転角を Θ 2とし、介在リンク 14の車台 16に対する相対的な回転角を φとし、車体 12の介在リンク 14に対する相対的な変位量を δとする。ここで、幾何学的に Θ 1 = 0 1 + 7?、 Θ 2= 0 2+ 7}、 η = σ + φの関係が成り立つ。 [0031] 次に、走行体 10の制御系について説明する。図 4は走行体 10の制御系の構成を示すブロック図である。走行制御モジュール 44と姿勢制御モジュール 45は、 CPU, ROM、 RAM等によって構成されている。走行制御モジュール 44と姿勢制御モジュール 45は、機能的に、制御部 64と、現在姿勢計算部 66と、目標姿勢設定部 68と、指令値計算部 70を備えて、る。

[0032] 制御部 64は、操作モジュール 46や障害物検知センサ 58からの入力に基づ!/、て、現在姿勢計算部 66と目標姿勢設定部 68と指令値計算部 70に処理を実行させる。

[0033] 現在姿勢計算部 66は、ジャイロセンサ 48、関節エンコーダ 50、右輪エンコーダ 52 、左輪エンコーダ 54、変位計 56からの入力に基づいて、走行体 10の現在の姿勢を計算する。現在姿勢計算部 66では、走行体 10の現在の姿勢として、車体 12の介在リンク 14に対する相対変位量 δ *、相対変位速度 d δ *Zdt、車体 12の傾斜角 σ *、傾斜角速度 d σ * Zdt、車台 16の傾斜角 η *、傾斜角速度 d η * d 右駆動輪 18の回転角 0 1 *、回転角速度 d 0 l *Zdt、左駆動輪 20の回転角 0 2 *、回転角速度 d Θ 2 * Zdtが計算される。なお上記の *は、現在値と目標値を区別するために付したものであり、 *を付したものは現在値を示す。

[0034] 車体 12と介在リンク 14の相対変位量 δ *は、変位計 56から出力される。車体 12と介在リンク 14の相対変位速度 d δ * Zdtは、相対変位量 δ *を時間に関して微分することで算出される。

車体 12の傾斜角速度 d a *Zdtは、ジャイロセンサ 48から出力される。車体 12の傾斜角 σ *は、傾斜角速度 (1 σ * Zdtを時間に関して積分することで算出される。車台 16の傾斜角 7? *は、車体 12の傾斜角 σ *と、関節エンコーダ 50から出力される介在リンク 14と車台 16の相対的な回転角 φ *力ら、 7? * = σ * + φ *で算出される。車台 16の傾斜角速度 dr? *Zdtは、傾斜角 7? *を時間に関して微分することで算出される。

右駆動輪 18の傾斜角 θ 1 *は、車台 16の傾斜角 7? *と、右輪エンコーダ 52から出力される右駆動輪 18と車台 16の相対的な回転角 Θ 1 *から計算される。傾斜角速度 d θ 1 * Zdtは、傾斜角 θ 1 *を時間に関して微分することで算出される。

左駆動輪 20の傾斜角 0 2 *は、車台 16の傾斜角 7? *と、左輪エンコーダ 54から入力される左駆動輪 20と車台 16の相対的な回転角 Θ 2 *力も計算される。傾斜角速度 d Θ 2*Zdtは、傾斜角 Θ 2 *を時間に関して微分することで算出される。

現在姿勢計算部 66は、上記のように計算された走行体 10の現在の姿勢を、指令値計算部 70へ出力する。

[0035] 目標姿勢設定部 68は、走行体 10の右駆動輪 18の回転角 Θ 1、回転角速度 d θ 1 Zdt、左駆動輪 20の回転角 Θ 2、回転角速度 d Θ 2/d 車台 16の傾斜角 7?、傾斜角速度 d η Zdt、車体 12の傾斜角 σ、傾斜角速度 d σ /dt,車体 12の相対変位量 δ、相対変位速度 d δ Zdtについて、目標とする時系列パターンを設定する。

[0036] 右駆動輪 18の回転角 Θ 1、回転角速度 d Θ 1/d 左駆動輪 20の回転角 Θ 2、回転角速度 d Θ 2Zdtについての目標値は、主に操作モジュール 46の操作状態や、障害物検知センサ 58からの検知信号の有無に基づいて設定される。

[0037] 車体 12の傾斜角 σ、傾斜角速度 d σ Zdtは、所望のパターンで与えることができる。本実施例の走行体 10では、傾斜角 σと傾斜角速度 d σ Zdtはそれぞれゼロと設定される。これによつて、走行中も車体 12は傾斜することなぐ略水平に維持される。なお、傾斜角 _σと傾斜角速度 d a Zdtをゼロとすることは、車台 16に対して介在リンク 1 4を揺動させないことを意味しない。車台 16の傾斜角 ηに一致するように、車台 16に対して介在リンク 14を揺動させることによって、車体 12の傾斜角 σがゼロに調整される。

[0038] 目標姿勢設定部 68は、状況に応じて、車体 12と介在リンク 14の相対変位量 δおよび相対変位速度 d δ Zdt、あるいは車台 16の傾斜角 ηおよび傾斜角速度 d η /d tの、いずれか一方の組について、目標とする時系列パターンを設定する。

[0039] 目標姿勢設定部 68は、走行体 10が走行中に急ブレーキ動作を開始する際には、車体 12と介在リンク 14の相対変位量 δおよび相対変位速度 d δ Zdtに関して目標とする時系列パターンを設定する。急ブレーキ動作を開始する際には、介在リンク 14 に対して車体 12を後方へ移動させることによって走行体 10の重心を後方に移動させる。これによつて、急ブレーキ動作に伴って生じる慣性力とのバランスを図る。目標姿勢設定部 68は、介在リンク 14に対して車体 12が後方へ移動するように、相対変位量 δおよび相対変位速度 d δ Zdtを設定する。相対変位量 δ、相対変位速度 d δ / dtの時系列パターンは、予め目標姿勢設定部 68に記憶されている。前記したように、急ブレーキ動作の開始とともに車体 12の後方への変位量 δを増大させ、慣性力の低下にあわせて変位量 δを減少させる時系列パターンが記憶されている。

[0040] 目標姿勢設定部 68は、急ブレーキ動作によって右駆動輪 18と左駆動輪 20の回転角速度が遅くなると、車台 16の傾斜角 ηと傾斜角速度 d r? Zdtに関して目標値を設定する。右駆動輪 18と左駆動輪 20の回転角速度が遅くなると、車台 16は回転軸 C1 の周りを進行方向前方に向けて回転しょうとする。目標姿勢設定部 68は、車台 16の傾斜角速度 d 7? Zdtが、右駆動輪 18の回転角速度 d Θ lZdtと左駆動輪 18の回転角速度 d Θ 2Zdtと一致するように、傾斜角 ηと傾斜角速度 d r? Zdtの目標値を設定する。

[0041] 目標姿勢設定部 68から、車体 12の相対変位量 δと相対変位速度 d δ Zdtの目標値が入力される場合には、指令値計算部 70は、安定な倒立姿勢を維持することができるように、車台 16の傾斜角 ηと傾斜角速度 d r? Zdtを計算する。

[0042] 目標姿勢設定部 68から、車台 16の傾斜角 7?と傾斜角速度 d 7? Zdtの目標値が入力される場合には、指令値計算部 70は、安定な倒立姿勢を維持することができるように、車体 12の相対変位量 δと相対変位速度 d δ Zdtを計算する。この場合にも、急ブレーキ動作の開始とともに車体 12の後方への変位量 δを増大させ、慣性力の低下にあわせて変位量 δを減少させる時系列パターンが計算される。

[0043] 指令値計算部 70では、現在姿勢計算部 66から出力される現在の姿勢と、目標姿勢設定部 68から出力される目標とする姿勢に基づいて、右輪駆動モータ 34と左輪駆動モータ 36と関節駆動モータ 38とリニアモータ 40へ指令する値を計算する。指令値の計算には、走行体 10の動力学モデルが利用される。

[0044] 指令値計算部 70で計算された各モータへの指令値は、右輪駆動モータ 34と左輪駆動モータ 36と関節駆動モータ 38とリニアモータ 40へ入力される。右輪駆動モータ 34と左輪駆動モータ 36と関節駆動モータ 38とリニアモータ 40は、入力された指令値に応じた出力で駆動する。各モータが駆動することによって、走行体 10は走行、旋回、停止などの動作を行う。また、車台 16に対する車体 12の相対的位置関係を調整する。 [0045] 走行体 10は、倒立姿勢を維持しながら、走行、旋回、停止することができるように、姿勢を制御される。走行体 10は、停止している間や、一定の速度で走行している間は、重心の位置が回転軸 C1の略鉛直上方に位置するように姿勢を調整されており、 7?、 σ、 δはそれぞれゼロに近い値に維持される。

[0046] 以下では図 5に示すフローチャートを参照しながら、走行体 10が走行中に急ブレーキ動作を行う場合の処理について説明する。走行体 10は、障害物検知センサ 58によって前方に障害物が検知されると、急ブレーキ動作を開始する。

[0047] ステップ S502では、機械式ブレーキ 60、 62を作動させる。機械式ブレーキ 60、 62 が作動することで、右駆動輪 18と車台 16の間、ならびに左駆動輪 20と車台 16の間で、回転を拘束するトルクが作用する。

ステップ S504では、右駆動輪 18と左駆動輪 20の回転角 Θ 1、 Θ 2および回転角速度 d Θ 1/d d Θ 2Zdtについて、目標値を設定する。

ステップ S506では、車体 12の介在リンク 14に対する相対変位量 δと相対変位速度 d δ Zdtの目標値を設定する。相対変位量 δと相対変位速度 d δ Zdtは、介在リンク 14に対して車体 12を後方側へ移動させるように設定される。相対変位量 δと相対変位速度 d δ Zdtの設定は、例えば所定の時系列パターンを予め記憶しておき、記憶されたパターンを読み込むことで行われる。

ステップ S508では、設定された目標値に応じて、各モータへの指令値を計算するステップ S510では、計算された指令値で各モータを駆動する。各モータが駆動することによって、介在リンク 14に対して車体 12が後方へ移動し、走行体 10の倒立姿勢を維持するように傾斜角 r?が調整される。このとき、介在リンク 14に対して車体 12 が後方へ移動して重心が後方に移動して、るために、慣性力にバランスするために必要な後方側への傾斜角 7?が小さく抑えられる。車体 12を後方へ移動させない場合に比して、急ブレーキ中に車体 12が後方へ傾斜する角度は小さく抑えられる。

[0048] ステップ S512では、右駆動輪 18、左駆動輪 20と車台 16との相対的な回転角速度 άΘ Ι/dt, d@2Zdt力所定のしきい値以下となったか否かを判断する。 άΘ Ι/dt 、 d@2Zdtが、いずれもしきい値以下となった場合 (ステップ S512で YESの場合）には、右駆動輪 18と左駆動輪 20の回転が充分に弱まったと判断して、処理はステツプ S514へ移行する。 ά Θ Ι/dt, d@2Zdtのいずれかがしきい値を超えている場合 (ステップ S512で NOの場合）には、右駆動輪 18と左駆動輪 20の回転力 ^、まだ弱まつていないと判断して、処理はステップ S504へ移行し、ステップ S510までの処理を繰り返し行う。

[0049] ステップ S514では、右駆動輪 18と左駆動輪 20の回転角 Θ 1、 Θ 2および回転角速度 d Θ 1/d d Θ 2Zdtについて、目標値を設定する。

ステップ S516では、車台 16の傾斜角速度 d 7? Zdt力右駆動輪 18と左駆動輪 20 の回転角速度 d Θ 1/dU d Θ 2Zdtと一致するような傾斜角速度 d η Zdtを設定する。

ステップ S518では、設定された目標値に基づいて、各モータへの指令値を計算する。

ステップ S520では、計算された指令値で各モータを駆動する。各モータを駆動することによって、後方へ傾斜していた車台 16は右駆動輪 18、左駆動輪 20と同調して回転し、垂直上方に持ち上げられる。この際に、走行体 10の倒立姿勢を維持するように相対変位量 δが調整される。

[0050] ステップ S522では、車台 16の傾斜角がゼロとなったか否かを判断する。傾斜角 ηがゼロとなった場合 (ステップ S522で YESの場合）、走行体 10の重心は回転軸 C 1の鉛直上方へ移動し、停止状態となっているため、処理はステップ S524へ移行する。傾斜角 r?がゼロとならない場合 (ステップ S522で NOの場合）、走行体 10の重心はいまだ回転軸 C1より後方にあり、停止状態となっていないため、処理はステップ S 514へ移行し、ステップ S 520までの処理を繰り返し行う。

ステップ S524では、機械式ブレーキ 60、 62を解除して、その場で倒立姿勢を維持する停止状態へ移行し、急ブレーキ動作を終了する。

[0051] 図 6に走行体 10の急ブレーキ動作の様子を示す。図 6Aに示す走行中の走行体 1 0は、前方に障害物等が検知されると、図 6Bに示すように、介在リンク 14に対して車体 12を後方に移動させる。また車台 16は、ブレーキに伴って右駆動輪 18と左駆動輪 20から車台 16へ作用するモーメントと、走行体 10に作用する重力モーメントと、走行体 10に作用する慣性力によるモーメントが釣り合うように、車台 16を後方へ傾斜させる。車体 12を介在リンク 14に対して後方に移動させているため、制動に寄与する重力モーメントが増大し、機械式ブレーキ 60、 62による大きな制動力を働力せることができる。安定な倒立姿勢を維持しながら、短い制動距離で停止することができる。

[0052] また本実施例の走行体 10では、急ブレーキ動作を開始する際に、車体 12を後方へ移動させるため、制動を開始して力停止するまでの間に万が一障害物と衝突してしまう場合であっても、搭乗席 22を後方へ避難させておくことで、搭乗者を危険から回避させることができる。

[0053] 本実施例の走行体 10では、急ブレーキによって右駆動輪 18と左駆動輪 20の回転が弱まると、車台 16を右駆動輪 18と左駆動輪 20と同調して回転させる。これによつて、急ブレーキ時に後方へ移動させた走行体 10の重心を、慣性を利用して立ち上がらせることができる。静止した倒立姿勢へ移行するために消費するエネルギーを抑制することができる。

[0054] 本実施例では障害物検知センサ 58からの検知信号に応じて急ブレーキ動作を行う場合を説明したが、搭乗者による操作モジュール 46からのブレーキ指示に応じて急ブレーキ動作を行ってもよ!、。

[0055] 本実施例では車体 12に対して介在リンク 14を駆動する手段としてリニアモータ 40 を用いる例を説明したが、車体 12に対して介在リンク 14を駆動する手段はこれに限定されない。車体 12に対して介在リンク 14を駆動する手段として、例えばボールねじと通常のモータを併用してもょ、し、リニアスライド型のモータ機構を用いてもょ、。

[0056] 本実施例では右駆動輪 18、左駆動輪 20に対するブレーキとして機械式ブレーキ 6 0、 62を用いる場合を説明した力機械式ブレーキ 60、 62の代わりに電気式ブレーキを用いてもよい。また、機械式ブレーキ 60、 62と電気式ブレーキの双方を併用してちょい。

[0057] 本実施例では車体 12の介在リンク 14に対する相対変位量 δ、相対変位速度 d δ Zdtを予め記憶された所定の時系列パターンに従って設定する例を説明したが、相対変位量 δ、相対変位速度 d δ Zdtの設定の仕方はこれに限らない。例えば、フィードフォワード制御によって車体 12を後方へ移動させてもよい。 [0058] 本実施例では車体 12の介在リンク 14に対する相対変位量 δを変位計 56を用いて計測する例を説明したが、相対変位量 δは例えば状態観測器を用いて推定してもよい。

[0059] (第 2実施例）

図 7を参照しながら、本実施例の走行体 110について説明する。第 1実施例の走行体 10と同様の構成については、同一の参照符号を付して、詳細な説明を省略する。本実施例の走行体 110は、車体 12と、介在リンク 114と、車台 16と、右駆動輪 18と左駆動輪 20を備えている。介在リンク 114は、車体 12のハウジング 24の下部に、車体 12に対して走行体 110の進行方向を含む鉛直面（図 7の紙面）内で揺動可能に連結されている。車台 16のロッド 26の上部は、介在リンク 114の下部に、介在リンク 1 14に対して走行体 110の進行方向を含む鉛直面（図 7の紙面）内で揺動可能に連結されている。介在リンク 114は、介在部材に相当する。

[0060] 走行体 110は、右輪駆動モータ 34と、左輪駆動モータ 36と、車台 16に対して介在リンク 114を回転軸 115の周りに揺動させる第 1関節駆動モータ 138と、介在リンク 11 4に対して車体 12を回転軸 117の周りに揺動させる第 2関節駆動モータ 140を備えている。第 1関節駆動モータ 138は、介在リンク 114に搭載されている。第 2関節駆動モータ 140は、ノ、ウジング 24に搭載されている。第 1関節駆動モータ 138は、第 1ァクチユエータに相当し、第 2関節駆動モータ 140は、第 2ァクチユエータに相当する。

[0061] 走行体 110は、右輪駆動モータ 34と左輪駆動モータ 36と第 1関節駆動モータ 138 と第 2関節駆動モータ 140に電力を供給するバッテリモジュール 42と、右輪駆動モータ 34と左輪駆動モータ 36を制御する走行制御モジュール 144と、第 1関節駆動モータ 138と第 2関節駆動モータ 140を制御する姿勢制御モジュール 145と、走行体 110 の搭乗者が操作する操作モジュール 46を備えてヽる。走行制御モジュール 144は、走行体 110の搭乗者が操作モジュール 46に加えた操作に追従して、右輪駆動モータ 34と左輪駆動モータ 36を制御し、走行体 110の走行を制御する。姿勢制御モジュール 145は、第 1関節駆動モータ 138と第 2関節駆動モータ 140を制御し、車台 16 に対する車体 12の相対的位置関係を制御する。走行制御モジュール 144は、倒立制御装置に相当する。姿勢制御モジュール 145は、制動姿勢制御装置に相当する。 [0062] 走行体 110は、車台 16に対する介在リンク 114の揺動角を検出する第 1関節ェンコーダ 150と、介在リンク 114に対する車体 12の揺動角を検出する第 2関節ェンコ一ダ 156と、車体 12の傾斜角速度を検出するジャイロセンサ 48を備えている。また走行体 110は、右駆動輪 18の車台 16に対する相対的な回転角を検出する右輪ェンコーダ 52と、左駆動輪 20の車台 16に対する相対的な回転角を検出する左輪ェンコ一ダ 54と、障害物検知センサ 58、機械式ブレーキ 60、 62を備えている。

[0063] 走行制御モジュール 144と姿勢制御モジュール 145は、第 1実施例の走行体 10の走行制御モジュール 44と姿勢制御モジュール 145とほぼ同様の構成を備えている。

[0064] 第 1実施例の走行体 10とは異なり、本実施例の走行体 110では車体 12の傾斜角と介在リンク 114の傾斜角が別個に調整される。本実施例の走行体 110では、車体 1 2の傾斜角と傾斜角速度はゼロとなるように調整される。これによつて、車体 12の傾斜は、走行中も略水平に維持される。

[0065] 本実施例の走行体 110では、状況に応じて、介在リンク 114の傾斜角および傾斜角速度、あるいは車台 16の傾斜角および傾斜角速度の一方の組について、目標とする時系列パターンに従って調整する。

[0066] 走行体 110が走行中に急ブレーキ動作を開始する際には、介在リンク 114が後方へ傾斜するように、介在リンク 114の傾斜角および傾斜角速度を所定の時系列バターンに調整する。これによつて、車体 12が後方へ向けて移動し、走行体 110の重心が後方へ移動する。この場合には、安定な倒立姿勢を維持することができるように、車台 16の傾斜角および傾斜角速度が調整される。

[0067] 図 8Aは走行体 110が走行して!/、る状態を示し、図 8Bは走行体 110が走行して!/、る状態力制動する状態を示している。制動の開始に伴い、走行体 110は介在リンク 114を後方へ傾斜させ、車体 12を後方へ向けて移動させ、走行体 110の重心の位置を後方へ移動させる。これによつて、大きな重力モーメントを作用させ、強いブレーキを力けた場合であっても、安定な倒立姿勢を維持することができる。

[0068] 急ブレーキ動作によって右駆動輪 18、左駆動輪 20の回転が弱まると、車台 16が右駆動輪 18、左駆動輪 20の回転と同調して回転するように、車台 16の傾斜角および傾斜角速度を調整する。これによつて、急ブレーキ動作によって後方へ移動している重心を、回転軸 C 1の鉛直上方へ向けて慣性を利用して弓 Iき起こす。

[0069] なお本実施例の走行体 110は、図 9に示すように、介在リンク 114と車台 16を屈曲させて、介在リンク 114と車台 16が連結する部分を路面 Rに接地させて、停止時の補助具として用いることができる。搭乗席 22が降下した状態とすることができるため、搭乗者の乗降や荷物の積み降ろしが容易となる。

[0070] 以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

また、本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims

請求の範囲

[1] 一対の車輪と、

一対の車輪を同軸上で回転可能に支持する車台と、

車台に対して車輪を回転させる車輪用ァクチユエータと、

車台に支持されて!ヽる車体と、

車台を倒立させるように、車輪用ァクチユエータを制御する倒立制御装置とを備える平行二輪倒立振子型の走行体であって、

車体は車台に対して走行体の進行方向に関して相対的に移動可能に車台に支持されており、

車台に対して車体を走行体の進行方向に関して相対的に移動させる姿勢用ァクチユエータと、

進行して!/ヽる走行体の制動を開始する際に車台に対して車体を走行体の進行方向の逆方向に移動させるように姿勢用ァクチユエータを制御する制動姿勢制御装置を備えて!/ヽる平行二輪倒立振子型の走行体。

[2] 車体は車台に対して介在部材を介して支持されており、

介在部材は、車台に対して進行方向を含む鉛直面内で揺動可能に接続されているとともに、車体を進行方向に沿ってスライド可能に支持しており、

姿勢用ァクチユエータが、車台に対して介在部材を揺動させる第 1ァクチユエータと、介在部材に対して車体をスライドさせる第 2ァクチユエータを備えている請求項 1の平行二輪倒立振子型の走行体。

[3] 車体は車台に対して介在部材を介して支持されており、

介在部材は、車台に対して進行方向を含む鉛直面内で揺動可能に接続されているとともに、車体を進行方向を含む鉛直面内で揺動可能に支持しており、

姿勢用ァクチユエータが、車台に対して介在部材を揺動させる第 1ァクチユエータと、介在部材に対して車体を揺動させる第 2ァクチユエータを備えている請求項 1の平行二輪倒立振子型の走行体。

[4] 車輪を車台に対して制動する機械的ブレーキが設置されている請求項 1の平行二輪倒立振子型の走行体。車輪を車台に対して制動する機械的ブレーキが設置されてレ、る請求項 2の平行二輪倒立振子型の走行体。

車輪を車台に対して制動する機械的ブレーキが設置されている請求項 3の平行二輪倒立振子型の走行体。