WO2017094069A1 - 一人乗り移動機器 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a single-seat mobile device, and more particularly, to a mobile device that can be travel-controlled by moving the center of gravity of a person.
- the three-wheeled passenger cart described in Patent Document 2 includes an elastic body that connects a base and a boarding base, a motor that independently drives a pair of front wheels, and a rotation that detects a rotation angle of the motor.
- a tilt angle sensor that detects a balance in the front / rear / left / right direction of the base
- a boarding tilt detection means that detects a relative angle in the front / rear / left / right direction with respect to the base of the board
- a signal of each sensor Control means for detecting the center of gravity position of the user in the front-rear and left-right directions and controlling the movement acceleration in the front-rear direction using a signal indicating the position of the center of gravity and controlling the operation in the left-right direction.
- the unstable traveling device described in Patent Document 3 includes two wheels arranged in parallel, two wheel drive units that rotationally drive the two wheels, and left and right feet of the driver.
- a pair of boarding decks a gyro sensor that detects an inclination angle in the traveling direction of the pair of boarding decks, a rotation angle detector that detects an inclination angle in the axle direction of the pair of boarding decks, a gyro sensor, and a rotation angle detector
- a control device that outputs a control signal to the two wheel drive units in accordance with the posture of the pair of boarding decks detected by the control to control the running state.
- a single-seat mobile device described in Patent Document 4 includes a plurality of load sensors provided on a board-shaped boarding platform, and presence / absence of weighting by the passenger based on output signals from the plurality of load sensors.
- the center-of-gravity position detection unit that detects the position of the center of gravity of the occupant above, and controls the driving of the two motors connected to the driven wheels according to the presence or absence of weighting detected by the center-of-gravity position detection unit A motor drive control unit.
- the vehicle described in Patent Document 5 includes two wheels provided with a fluid chamber that is elastically deformable at least in part, and a vehicle body on which a person is boarded while rotatably supporting the two wheels.
- steering is performed by causing a difference in the radius of rotation between the fluid chambers of the two wheels due to the movement of the center of gravity of a person who is on the vehicle body.
- control device independently controls the two motors for driving the left and right wheels with different torques based on the output signals of the sensors. That is, control is performed such that the torque of the motor on the left wheel side is increased when turning to the right, and conversely, the torque of the motor on the right wheel side is increased when turning to the left.
- Patent Document 6 describes that the grounding load acting on the left wheel of the vehicle and the grounding load acting on the right wheel are changed to a desired ratio to improve the turning performance.
- Patent Document 7 discloses a ground load applying mechanism that applies a load of a passenger who has boarded the riding section to the tail wheel as a ground load.
- the ground load applying mechanism is connected to an intermediate portion between the front end portion and the rear end portion of the wheel support frame so that the riding section frame can tilt in the front-rear direction.
- Patent Document 5 requires a special wheel provided with a fluid chamber that can be elastically deformed as described above, resulting in an increase in manufacturing cost.
- Patent Document 6 maximizes the cornering power when a four-wheeled vehicle is traveling by changing the ground load acting on the left wheel of the vehicle and the ground load acting on the right wheel to a desired ratio. It cannot be applied to turning control of personal mobility.
- Patent Document 7 The technique described in Patent Document 7 is intended to improve the turning performance of a unicycle, and cannot be applied to turning control of personal mobility equipped with left and right wheels.
- the present invention has been made to solve such a problem, and without using means for individually controlling the torque or applied voltage by providing each motor to drive the left and right wheels.
- An object of the present invention is to provide personal mobility capable of turning control by moving the center of gravity of a passenger without using special parts.
- the present invention includes left and right driven wheels as front wheels and two casters as rear wheels, with the upper part being inward when viewed from the front with respect to the two casters.
- An inclined camber angle is provided.
- the caster rotates in the direction of the center of gravity and functions as a steering wheel.
- the device can be swiveled. This makes it possible for a single-seater to control turning by moving the center of gravity of the occupant without using a means of individually controlling the torque or applied voltage of each motor that drives the left and right wheels, and without using special parts.
- Mobile equipment can be provided.
- FIG. 1 is a schematic perspective view showing an appearance of a single-seat mobile device (personal mobility) according to the present embodiment.
- FIG. 2 is a bottom view showing a power system of the single-seat mobile device according to the present embodiment. 2 shows a state in which the internal structure is illustrated through the cover.
- the single-seat mobile device of the present embodiment is a configuration type in which a plurality of wheels 21 and 22 are provided on a board-like boarding base 10 and performs traveling control by moving the center of gravity of the passenger. It has been made possible. In other words, the passenger can ride straight on, turn left and right, and control the running speed by riding both feet on the board 10 in an upright state and moving the center of gravity back and forth and left and right. ing.
- the boarding board 10 has a substantially rectangular plane, and four wheels 21 and 22 are attached in the vicinity of the four corners. As a result, it is possible to ensure traveling stability when a passenger gets on a single-seat mobile device.
- the two front wheels 21 are driven wheels that are driven by two motors 31 built in the boarding platform 10.
- the remaining two rear wheels 22 are casters of a type that can freely rotate 360 degrees.
- the boarding board 10 has four wheels 21 and 22 attached to the bottom thereof.
- the boarding platform 10 includes two motors 31 for independently driving the left and right driven wheels 21, a connecting member 32 for connecting the driven wheels 21 and the motor 31, a control circuit (not shown), and a battery. (Not shown) is housed inside.
- the control circuit and the battery are accommodated in an accommodation box 11 provided on the bottom surface side of the boarding base 10.
- the single-seat mobile device of this embodiment includes a plurality of load sensors (not shown).
- a plurality of load sensors are provided near the four corners of the boarding base 10.
- the boarding base 10 is configured by a chassis and an upper surface cover that covers the chassis, and four load sensors are arranged between the chassis and the upper surface cover.
- the upper cover is relatively easy to be bent, so that when the passenger gets on the boarding platform 10 and the upper cover is loaded, The load applied to the top cover can be detected by a load sensor.
- the control circuit accommodated in the accommodation box 11 inputs the output signals of the four load sensors, and controls the driving of the two motors 31 connected to the driven wheels 21.
- the torque or applied voltage applied to the two motors 31 is the same in any case of straight travel, right turn, and left turn. That is, the control circuit of the present embodiment controls only the magnitude of the voltage applied to the two motors 31 and it is necessary to perform control such as changing the voltage applied to the two left and right motors 31 according to the turning direction. There is no.
- the control circuit In order to determine the magnitude of the applied voltage, the control circuit detects the presence or absence of weighting by the passenger and the position of the center of gravity of the passenger on the boarding base 10 based on the output signals from the four load sensors. As an example, the control circuit detects the presence or absence of weighting based on output signals from four load sensors, and detects the center of gravity position by interpolation calculation.
- FIG. 3 is a diagram showing an example of the center of gravity position detected by the control circuit. As shown in FIG. 3, two-dimensional coordinates (XY coordinates) with the center position of the boarding base 10 as the origin are set on the plane of the boarding base 10. In this case, all of the four load sensors 41 are located at the same distance from the origin.
- the load sensors 41 arranged in the first quadrant to the fourth quadrant are distinguished by reference numerals 41 -1 to 41 -4 , respectively.
- the magnitudes (pressures) of the loads detected by the load sensors 41 -1 to 41 -4 are W -1 to W -4 , respectively.
- the distance in the X-axis direction from the origin to each of the load sensors 41 -1 to 41 -4 is x (all are the same), and the distance in the Y-axis direction is y (the same is all).
- W W ⁇ 1 + W ⁇ 2 + W ⁇ 3 + W ⁇ 4 It becomes.
- FIG. 4 is a diagram illustrating a control example of the traveling speed and the forward and backward traveling directions performed according to the Y coordinate of the gravity center position G.
- the control example shown here is only an example.
- the third region 103 is equally divided from the first region 101, and when the center of gravity position G is in the first region 101, the head moves forward, and when the center of gravity position G is in the second region 102, the stop,
- the applied voltage of the motor 31 may be controlled so as to reverse.
- the positive applied voltage applied to the motor 31 is increased as the value of the Y coordinate of the gravity center position G increases.
- the negative applied voltage applied to the motor 31 is increased as the value of the Y coordinate of the gravity center position G decreases (the absolute value increases).
- the traveling speed and the forward / backward traveling direction are controlled according to the Y coordinate of the gravity center position G, and control in the left / right direction is not performed. That is, the X coordinate of the gravity center position G is not used for the drive control of the motor 31. Therefore, it is not always necessary to calculate the X coordinate of the gravity center position G. In this case, it is not necessary to provide four load sensors near the four corners of the boarding base 10, and for example, only one load sensor may be provided at the front and rear.
- the two motors 31 drive the two driven wheels 21 independently under the control of the control circuit (however, the applied voltages to the two motors 31 are the same). As shown in FIGS. 1 and 2, the driving forces of the two motors 31 are transmitted to the two driven wheels 21 via the two connecting members 32, respectively.
- the connecting member 32 connects the motor 31 and the drive wheel 21.
- the connecting member 32 meshes a gear (not shown) connected to a rotating shaft (not shown) of the motor 31 and a gear (not shown) connected to the axle 33 of the driven wheel 21. It has a configuration.
- the driving force of the motor 31 is transmitted to the driven wheel 21 via the gear of the connecting member 32.
- the ground pressure applied to the driven wheel 21 when the passenger gets on the boarding base 10 is transmitted to the motor 31 via the connecting member 32 as a load.
- the ground pressure applied to the two driven wheels 21 changes according to the position of the center of gravity of the passenger riding on the boarding platform 10.
- the ground pressure applied to the two left and right driven wheels 21 acts as a load on the two motors 31 so that the number of rotations of the two driven wheels 21 changes.
- FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the mounting structure of the casters 22 according to the present embodiment.
- the two casters 22 are attached to the boarding base 10 so as to have a camber angle in which the upper part is inclined inward when viewed from the front. That is, in this embodiment, the left and right casters 22 are provided with a negative camber angle that looks like a letter C when viewed from the front.
- the caster 22 is configured to be freely rotatable 360 degrees parallel to the plate 22a.
- the caster 22 has a wheel rotation shaft 22d eccentrically located behind a position where the four screws 22b and 22c are attached to the boarding base 10.
- the method of attaching the camber angle shown here is merely an example, and the present invention is not limited to this.
- the plate 22 a is configured as a horizontal flat plate, but instead, the bottom surface (surface attached to the boarding base 10) is horizontal while the flat surface (the surface on which wheels are present).
- a member having a camber angle originally attached thereto may be used.
- the caster 22 rotates in the direction of the center of gravity and functions as a steering wheel.
- a single-seat mobile device can be turned.
- the right caster 22 to which the load is applied more strongly receives the load and moves toward the right side (outside). Rotate. For this reason, the wheel of the right caster 22 can turn to the right more greatly than when traveling straight, and the single-seat mobile device can be turned to the right.
- the left caster 22 to which the load is applied more strongly receives the load and moves toward the left side (outside). Rotate. For this reason, the wheel of the left caster 22 can turn to the left more greatly than when traveling straight, and the single-seat mobile device can be turned to the left.
- the present embodiment it is possible to control the steering angle (turning control in the left-right direction) while keeping the applied voltage (torque) applied to the two motors 31 the same.
- a difference is caused in the number of rotations of the left and right driven wheels 21 according to the magnitude of the ground pressure applied to the left and right driven wheels 21 that changes due to the movement of the center of gravity in the left and right direction of the passenger. In this way, it is possible to make it easier to turn.
- the ground pressure of the right driving wheel 21 increases and the rotation speed decreases, and the left driving wheel 21 increases the rotation speed.
- the device is in a state where it is easier to turn in the right direction.
- the center of gravity of the occupant moves to the left side
- the ground pressure of the left driving wheel 21 increases and the rotation speed decreases, and the right driving wheel 21 increases the rotation speed.
- the mobile device is more easily turned in the left direction.
- FIG. 6 is a view showing another example regarding the mounting structure of the caster 22 according to the present embodiment. Here, three configuration examples are shown. In the example of FIG. 6A, the four places of the plate 22a of the caster 22 and the boarding base 10 are screwed by four screws 22b and 22c, and substantially the entire area of the plate 22a (formed by four places screwed).
- the elastic member 61 is provided between the boarding area 10 and the boarding area 10.
- the elastic member 61 When configured in this way, when a load is applied to the boarding platform 10 due to the movement of the center of gravity of the occupant, the elastic member 61 is elastically deformed to increase the camber angle, thereby improving the turning ability in the left-right direction. To do. That is, when a downward load is applied to the board 10, the middle portion of the board 10 bends downward. Thereby, a downward force is also applied to the inside of the caster 22. At this time, since the caster 22 has a camber angle, an upward stress is generated in an outer portion of the caster 22 due to the reaction of the downward force applied to the inside. Due to this stress, the outer portion of the elastic member 61 is elastically deformed and thinned. As a result, the camber angle of the caster 22 is slightly increased. Thereby, the turning property to the left-right direction improves.
- the two inner portions of the plate 22 a of the caster 22 and the boarding base 10 are screwed with two screws 22 b, and the elastic member 61 is provided between the outer area of the plate 22 a and the boarding base 10. It has. As described above, the elastic member 61 is elastically deformed at the outer portion by the load applied to the boarding base 10 by the passenger. Therefore, in the example of FIG. 6B, the elastic member 61 is provided only in the outer region of the plate 22a.
- an elastic member is provided between the plate 22 a and the boarding base 10 only by screwing the boarding base 10 only with two places inside the plate 22 a of the caster 22 with two screws 22 b. Not. Therefore, a gap exists between the outer portion of the plate 22a and the boarding platform 10.
- the camber angle is increased because the outer portion of the plate 22a of the caster 22 is displaced upward due to the reaction caused by the load applied to the boarding base 10.
- the elastic member 61 also functions as a cushioning material that absorbs an impact during traveling. Therefore, it is preferable to provide the elastic member 61 in this respect.
- a camber angle may be attached to the boarding platform 10 itself.
- the portion 12 to which the caster 22 of the boarding base 10 is attached has an inclination that gradually decreases from the outside toward the inside when viewed from the front.
- the boundary portion between the portion (inclined region) 12 that is inclined in the outer region of the boarding base 10 and the portion that is not inclined in the central region of the boarding base 10 is U.
- a groove 13 is formed.
- FIG. 8 is a view showing another example regarding the mounting structure of the caster 22 according to the present embodiment.
- the two casters 22 further have a caster angle whose upper part is inclined rearward when viewed from the side.
- four screws 22 b ⁇ 1 , 22 b ⁇ 2 , 22 c ⁇ 1 , and 22 c ⁇ 2 are attached to each leg. A different length is used.
- the length of the foot is set as follows.
- Outer front screw 22c -2 ⁇ Inner front screw 22b -2 ⁇ Outer rear screw 22c -1 ⁇ Inner rear screw 22b -1
- the two casters 22 have a camber angle whose upper part is inclined inward when viewed from the front, and a caster angle whose upper part is inclined rearward when viewed from the side.
- the straight traveling performance of the single-seat mobile device can be increased.
- the caster 22 has a camber angle
- the turnability in the left-right direction is improved.
- the single-seat mobile device will turn left and right in small increments due to the center-of-gravity movement in the left-right direction unintended by the passenger (such as when the balance is lost).
- the caster 22 has a caster angle
- the straight traveling performance is increased, so that the traveling stability during the straight traveling can be ensured. That is, the caster 22 having a camber angle responds sensitively to the slight movement of the center of gravity of the passenger and rotates in the left-right direction, thereby avoiding the problem that the vehicle becomes unstable when traveling straight. Can do.
- the caster 22 has a caster angle, not only the traveling stability during straight traveling but also the traveling stability during turning can be improved. That is, by providing a caster angle in addition to a camber angle, there is an advantage that a single-seat mobile device can turn in a more stable state regardless of the speed of travel. That is, the caster angle can suppress the sudden turning of the single-seat mobile device due to the camber angle effect.
- the wheel rotation shaft 22d is largely eccentric behind the position of the plate 22a attached to the boarding base 10. That is, the eccentric distance from the position of the plate 22a to the rotating shaft 22d of the wheel is made longer than that of the caster 22 shown in FIGS.
- the caster 22 'configured as described above as shown in FIGS. 5 to 7 it is possible to attach a camber angle and a caster angle to the caster 22'.
- the casters 22 and 22 ' may be a double-wheel caster of a type in which two wheels are arranged in parallel and used as one wheel.
- a spherical caster 22 ′′ as shown in FIG. 10 may be used.
- FIG. 10 shows an example in which the spherical caster 22 ′′ has a camber angle and a caster angle.
- a spherical caster 22 ′′ is used to give a camber angle, the caster 22 ′′ rotates more smoothly when it receives a load and rotates outward. Stability can also be ensured.
- connection member which connects the wheel 21 with a drive and the motor 31
- the connection member 32 like FIG. 2 (The axle 33 of the wheel 21 with a drive and the rotating shaft of the motor 31 by a gearwheel are used.
- the structure to connect is shown, this invention is not limited to this.
- FIG. 11 it is good also as a structure which connects the rotating shaft of the motor 31 and the axle shaft 33 of the wheel 21 with a drive by the timing belt 35 grade
- the driving wheel 21 may be configured with a caterpillar configuration in which the front and rear wheels are spanned by a timing belt or the like, and the rotation shaft of the motor 31 may be connected to one of the front and rear wheels.
- two motorized wheels 21 may be driven by one motor.
- a differential gear can be used as an example of a connecting member that connects the two driven wheels 21 and one motor. If it does in this way, while driving two wheels 21 with a drive with the same applied voltage (torque) with one motor, two wheels with a drive according to the center of gravity position of a passenger who got on boarding board 10 The rotation speed of the two driven wheels 21 can be changed by the change in the ground pressure applied to the wheel 21.
- connecting members 32 may be provided on the left and right sides of one motor 31, whereby the two motorized wheels 21 may be driven by one motor 31.
- the rotation speed of the two driven wheels 21 does not change.
- the caster 22 since the caster 22 has a camber angle, it is possible to turn the single-seat mobile device left and right by moving the center of gravity of the passenger.
- the present invention is not limited thereto.
- the connecting member between the wheel 21 with drive and the motor can be omitted.
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Abstract
本発明は、左右の車輪を駆動する各モータを個別に制御することなく、また、特殊な部品を使わずに、搭乗者の重心移動により旋回可能なパーソナルモビリティを提供することを目的としている。 前輪としての左右の駆動付き車輪(21)と、後輪としての左右のキャスター(22)と、左右の駆動付き車輪(21)をそれぞれ独立して駆動する2つのモータ(31)とを備え、左右のキャスター(22)に対し、正面から見たときに上部が内側に傾くキャンバー角を持たせることにより、2つのモータ(31)のトルクもしくは印加電圧を同じとしつつも、搭乗者が左右方向へ重心移動をしたときに、重心移動した方向にキャスター(22)が回転して操舵の働きをするようにして、重心移動した方向に一人乗り移動機器を旋回させることができるようにする。
Description
本発明は、一人乗り移動機器に関し、特に、人の重心移動により走行制御可能な移動機器に関するものである。
従来、人ひとりを乗せて走行する新たなタイプの移動機器として、所謂「パーソナルモビリティ(一人乗り移動機器)」が知られている。パーソナルモビリティの一例として、スケートボードのように立って乗るスタイルのパーソナルモビリティが提案されている(例えば、特許文献1~5参照)。
これら特許文献1~5に記載のパーソナルモビリティでは、人の重心移動により走行制御を行うことが可能になされている。すなわち、これらの特許文献1~5に記載の技術では、ボード上のどの位置に重心を移動させるかによって、旋回の角度や走行速度などパーソナルモビリティの動きが決まる。
具体的には、特許文献1に記載の車両では、左右の車輪を回転駆動する2つの駆動モータと、左右の車輪の間に配置されたステップボード上に乗っている搭乗者の重心移動を検出する圧力センサと、圧力センサからの検出信号に基づき2つの駆動モータを駆動制御して直線走行および旋回動作を行う駆動制御手段とを備えている。
また、特許文献2に記載の3輪型乗用移動台車は、基台と搭乗台とを連結する弾性体と、一対の前車輪を独立して駆動するモータと、モータの回転角度を検出する回転角度センサと、基台の前後左右方向のバランスを検出する傾斜角センサと、搭乗台の基台に対する前後左右方向の相対角度を検出する搭乗台傾斜検出手段と、各センサの信号に基づいて、利用者の前後左右方向の重心位置を検出し、その重心位置を示す信号を用いて、前後方向の移動加速度を制御すると共に、左右方向の操行制御を行う制御手段とを備えている。
また、特許文献3に記載の不安定走行装置は、平行に配置された2つの車輪と、2つの車輪を回転駆動する2つの車輪駆動ユニットと、運転操作者の左右の足が個別に置かれる一対の搭乗デッキと、その一対の搭乗デッキの走行方向の傾き角度を検出するジャイロセンサと、一対の搭乗デッキの車軸方向の傾き角度を検出する回転角検出器と、ジャイロセンサおよび回転角検出器により検出される一対の搭乗デッキの姿勢に応じて2つの車輪駆動ユニットに制御信号を出力して走行状態を制御する制御装置とを備えている。
また、特許文献4に記載の一人乗り移動機器は、ボード状の搭乗台に設けられた複数の荷重センサと、複数の荷重センサからの出力信号に基づいて、搭乗者による加重の有無および搭乗台上での搭乗者の重心位置を検出する重心位置検出部と、重心位置検出部により検出された加重の有無および重心位置に応じて、駆動付き車輪に接続された2個のモータの駆動を制御するモータ駆動制御部とを備えている。
また、特許文献5に記載の車両は、少なくとも一部に弾性変形可能な流体室が設けられた2個の車輪と、2個の車輪を回転自在に支持すると共に人が搭乗される車体とを備え、車体に搭乗した人の重心移動により2個の車輪の流体室間の回転半径に差異を生じさせて操舵するようにしている。
上記特許文献1~4に記載のパーソナルモビリティは何れも、センサの出力信号に基づいて、左右の車輪を駆動する2つのモータを制御装置が異なるトルクで独立して制御する構成となっている。すなわち、右に旋回するときは左車輪側のモータのトルクを大きくし、逆に、左に旋回するときは右車輪側のモータのトルクを大きくするといった制御を行っている。
ここで、制御装置によって左右のモータのトルクをどの程度の大きさに制御するかは、あらかじめ人為的に決められた制御ロジックに従って判断される。そのため、搭乗者が重心移動により意図あるいは予想しているパーソナルモビリティの動きと、制御装置によって制御されるパーソナルモビリティの実際の動きとが一致しないことがある。これにより、搭乗者が自分の意図通りにパーソナルモビリティを操縦することが比較的難しいという問題があった。
これに対し、特許文献5に記載のパーソナルモビリティの場合は、センサや制御装置が存在せず、左右のモータのトルク制御が不要である。すなわち、搭乗者の重心移動によって、車体を通じて2個の車輪に伝えられる荷重の違いにより、左右の流体室間の回転半径に差異を生じさせて操舵する構成となっている。そのため、搭乗者が重心移動により意図あるいは予想している動きに近い形でパーソナルモビリティの動きが実現され得る。しかしながら、特許文献5に記載の技術では、少なくとも一部に弾性変形可能な流体室が設けられた特殊な車輪を用いる必要があるため、製造コストが増加してしまうという問題があった。
ところで、左右の車輪に作用する接地荷重と車両の旋回性との間に一定の関係があることが知られている(例えば、特許文献6,7参照)。例えば、特許文献6には、車両の左側車輪に作用する接地荷重と右側車輪に作用する接地荷重とを所望の割合に変更して、旋回性能の向上を図ることが記載されている。
また、特許文献7には、搭乗部に搭乗した搭乗者の荷重を接地荷重として尾輪に作用させる接地荷重付与機構について開示されている。接地荷重付与機構は、車輪支持フレームの前端部と後端部との中間部に、搭乗部フレームを前後方向に傾動可能に連結されている。この構成により、搭乗者の体重の一部が尾輪に下向きの荷重として作用し、搭乗者の体重に応じて尾輪の接地荷重が変化する。これにより、搭乗者の体重の如何に拘わらず尾輪の接地荷重が適正値となり、良好な旋回性能が得られるとしている。
左右の車輪を駆動する各モータのトルクまたは印加電圧を個別に制御するという手段を使わずに、搭乗者の重心移動により旋回制御可能なパーソナルモビリティを提供することが求められている。しかしながら、特許文献5に記載の技術では、上述のように、弾性変形可能な流体室が設けられた特殊な車輪を用いる必要があるため、製造コストが増加してしまうという問題があった。
また、特許文献6に記載の技術は、車両の左側車輪に作用する接地荷重と右側車輪に作用する接地荷重とを所望の割合に変更することにより、四輪自動車の走行時におけるコーナリングパワーを最大に確保することができるようにしたものであり、パーソナルモビリティの旋回制御には適用することができない。
また、特許文献7に記載の技術は、一輪車の旋回性能の向上を目的としたものであり、左右の車輪を備えたパーソナルモビリティの旋回制御には適用することができない。
本発明は、このような問題を解決するために成されたものであり、左右の車輪を駆動するために各モータを設けてトルクまたは印加電圧を個別に制御するという手段を使わずに、また、特殊な部品を使わずに、搭乗者の重心移動により旋回制御可能なパーソナルモビリティを提供することを目的とする。
上記した課題を解決するために、本発明では、前輪としての左右の駆動付き車輪と、後輪としての2つのキャスターとを備え、2つのキャスターに対し、正面から見たときに上部が内側に傾くキャンバー角を持たせるようにしている。
上記のように構成した本発明によれば、搭乗者が左右方向へ重心移動をしたときに、重心移動した方向にキャスターが回転して操舵の働きをするため、重心移動した方向に一人乗り移動機器を旋回させることができる。これにより、左右の車輪を駆動する各モータのトルクまたは印加電圧を個別に制御するという手段を使わずに、また、特殊な部品を使わずに、搭乗者の重心移動により旋回制御可能な一人乗り移動機器を提供することができる。
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、本実施形態による一人乗り移動機器(パーソナルモビリティ)の外観を示す概略斜視図である。また、図2は、本実施形態による一人乗り移動機器の動力系を示す底面図である。なお、図2の動力系は、カバーを透視して内部構成を図示した状態を示している。
図1および図2に示すように、本実施形態の一人乗り移動機器は、ボード状の搭乗台10に複数の車輪21,22を設けた構成タイプで、搭乗者の重心移動により走行制御を行うことが可能になされている。すなわち、搭乗者は搭乗台10の上に両足を乗せて起立状態で搭乗し、前後左右に重心移動を行うことにより、直進、左右への旋回、走行速度の制御を行うことができるようになされている。
搭乗台10は、平面が略矩形形状となっており、その四隅付近に4つの車輪21,22が取り付けられている。これにより、搭乗者が一人乗り移動機器に乗ったときの走行安定性を確保できるようにしている。4つの車輪21,22のうち、2つの前輪21は、搭乗台10に内蔵された2つのモータ31により駆動される駆動付き車輪である。残り2つの後輪22は、360度自由に回転可能なタイプのキャスターである。
搭乗台10は、その底部に4つの車輪21,22が取り付けられている。また、搭乗台10は、左右2つの駆動付き車輪21をそれぞれ独立して駆動する2つのモータ31、駆動付き車輪21とモータ31とを連結する連結部材32、制御回路(図示せず)およびバッテリ(図示せず)を内部に収容している。制御回路およびバッテリは、搭乗台10の底面側に設けられた収容ボックス11内に収容されている。
本実施形態の一人乗り移動機器は、複数の荷重センサ(図示せず)を備えている。例えば、複数の荷重センサは、搭乗台10の四隅付近に4個設けられている。具体的には、搭乗台10を、シャーシとその上に被せる上面カバーとにより構成し、シャーシと上面カバーとの間に4個の荷重センサを配置する。ここで、シャーシの剛性を強くして撓みにくい構成とする一方、上面カバーを比較的撓みやすい構成とすることにより、搭乗者が搭乗台10に乗って上面カバーに加重が行われたときに、上面カバーに加えられた荷重を荷重センサにて検出可能に構成している。
収容ボックス11に収容された制御回路は、4つの荷重センサの出力信号を入力して、駆動付き車輪21に接続された2つのモータ31の駆動を制御する。本実施形態では、直進、右旋回、左旋回の何れのケースにおいても、2つのモータ31に与えるトルクもしくは印加電圧を両方とも同じとする。すなわち、本実施形態の制御回路が制御するのは、2つのモータ31に対する印加電圧の大きさのみで十分であり、旋回方向に応じて左右2つのモータ31の印加電圧を変えるといった制御を行う必要はない。
印加電圧の大きさを決めるために、制御回路は、4つの荷重センサからの出力信号に基づいて、搭乗者による加重の有無および搭乗台10上での搭乗者の重心位置を検出する。一例として、制御回路は、4つの荷重センサからの出力信号に基づいて、加重の有無を検出するとともに、補間演算によって重心位置を検出する。
図3は、制御回路により検出される重心位置の例を示す図である。図3に示すように、搭乗台10の平面上に、搭乗台10の中心位置を原点とする2次元座標(X-Y座標)を設定する。この場合、4つの荷重センサ41は何れも原点から等距離に位置している。
図3に示す座標平面において、第1象限~第4象限に配置された荷重センサ41をそれぞれ符号41-1~41-4で区別する。ここで、各荷重センサ41-1~41-4で検出される荷重の大きさ(圧力)をそれぞれW-1~W-4とする。また、原点から各荷重センサ41-1~41-4までのX軸方向の距離をx(何れも同じ)、Y軸方向の距離をy(何れも同じ)とする。
この場合、各荷重センサ41-1~41-4からの出力信号W-1~W-4に基づいて検出される重心位置G(xG,yG)は、
xG=x(W-1+W-4)/W-x(W-2+W-3)/W
yG=y(W-1+W-2)/W-y(W-3+W-4)/W
ただし、W=W-1+W-2+W-3+W-4
となる。
xG=x(W-1+W-4)/W-x(W-2+W-3)/W
yG=y(W-1+W-2)/W-y(W-3+W-4)/W
ただし、W=W-1+W-2+W-3+W-4
となる。
図4は、重心位置GのY座標に応じて行う走行速度や前後の進行方向の制御例を示す図である。重心位置GのY座標に関しては、図4のように、負の最大値から正の最大値までを3つの領域101~103に分割し、Y座標の値がy1より大きい第1の領域101に重心位置Gがあるときは加速、Y座標の値が-y2より小さい第3の領域103に重心位置Gがあるときは減速、その間の第2の領域102に重心位置Gがあるときは等速となるようにモータ31の印加電圧(トルク)を制御する。
なお、ここで示した制御例は一例に過ぎない。例えば、第1の領域101から第3の領域103を等分割し、第1の領域101に重心位置Gがあるときは前進、第2の領域102に重心位置Gがあるときは停止、第3の領域103に重心位置Gがあるときは後進となるようにモータ31の印加電圧を制御してもよい。この場合、第1の領域101の中では、重心位置GのY座標の値が大きくなるほど、モータ31に与える正の印加電圧を大きくする。また、第3の領域103の中では、重心位置GのY座標の値が小さくなるほど(絶対値が大きくなるほど)、モータ31に与える負の印加電圧を大きくする。
以上のように、本実施形態では、重心位置GのY座標に応じて走行速度や前後の進行方向を制御するのみであり、左右方向に対する制御は行っていない。すなわち、重心位置GのX座標はモータ31の駆動制御に使っていない。したがって、重心位置GのX座標は必ずしも計算しなくてもよい。この場合、荷重センサも搭乗台10の四隅付近に4つ備えなくてもよく、例えば前後に1つずつ備えるのみとしてもよい。
上述のように、2つのモータ31は、制御回路による制御のもとで、2つの駆動付き車輪21をそれぞれ独立して駆動する(ただし、2つのモータ31に対する印加電圧は同じである)。図1および図2に示すように、2つのモータ31の駆動力は、2つの連結部材32を介して2つの駆動付き車輪21にそれぞれ伝達される。
連結部材32は、モータ31と駆動付き車輪21とを連結するものである。例えば、連結部材32は、モータ31の回転軸(図示せず)に連結された歯車(図示せず)と、駆動付き車輪21の車軸33に連結された歯車(図示せず)とを噛み合わせた構成を有している。これにより、モータ31の駆動力が連結部材32の歯車を介して駆動付き車輪21に伝達されるようになっている。
また、これとは逆に、搭乗者が搭乗台10に乗ることによって駆動付き車輪21に加えられる接地圧が、連結部材32を介してモータ31に負荷として伝達されるようにもなっている。ここで、駆動付き車輪21が搭乗台10の底面に取り付けられているため、搭乗台10の上に乗った搭乗者の重心位置に応じて、2つの駆動付き車輪21にかかる接地圧が変わる。そして、この左右2つの駆動付き車輪21にかかる接地圧が2つのモータ31に対する負荷として働き、当該2つの駆動付き車輪21の回転数が変わるようになっている。
本実施形態では、左右方向への旋回制御を効果的に行うことができるようにするため、後輪(キャスター)22の取り付け構造に工夫をしている。図5は、本実施形態によるキャスター22の取り付け構造の一例を示す図である。
図5に示すように、2つのキャスター22は、正面から見たときに上部が内側に傾くキャンバー角を有するように、搭乗台10に取り付けられている。すなわち、本実施形態では、左右のキャスター22に対して、正面からみてハの字に見えるようなネガティブキャンバー角を付けている。
図5の例では、キャスター22のプレート22aの4箇所と搭乗台10とを4つのネジ22b,22cによって固定する際に、内側のネジ22bは足の長いものを使用し、外側のネジ22cは足の短いものを使用している。これにより、2つのキャスター22にネガティブキャンバー角を持たせるようにしている。
キャスター22は、プレート22aと平行に360度自由に回転可能に構成されている。また、キャスター22は、4つのネジ22b,22cによる搭乗台10への取り付け位置よりも後方に、車輪の回転軸22dが偏芯している。
なお、ここに示したキャンバー角の付設方法は一例に過ぎず、これに限定されるものではない。例えば、図5の例ではプレート22aが水平な平板で構成されているが、これに代えて、底面(搭乗台10に取り付けられる面)が水平である一方で平面(車輪が存在する方の面)に元々キャンバー角が付けられている部材を用いるようにしてもよい。
このように、キャスター22にネガティブキャンバー角を持たせることにより、搭乗者が左右方向へ重心移動をすると、重心移動した方向にキャスター22が回転して操舵の働きをするため、重心移動した方向に一人乗り移動機器を旋回させることができる。
例えば、搭乗者の重心位置が右側に移動すると、後輪である2つのキャスター22のうち、荷重がより強くかけられている右側のキャスター22が、その荷重を受けて右側(外側)に向かって回転する。このため、右側のキャスター22の車輪が直進時よりも大きく右方向を向き、一人乗り移動機器を右方向へ旋回させることができる。
一方、搭乗者の重心位置が左側に移動すると、後輪である2つのキャスター22のうち、荷重がより強くかけられている左側のキャスター22が、その荷重を受けて左側(外側)に向かって回転する。このため、左側のキャスター22の車輪が直進時よりも大きく左方向を向き、一人乗り移動機器を左方向へ旋回させることができる。
このように、本実施形態によれば、2つのモータ31に与える印加電圧(トルク)を同じとしつつも、操舵角の制御(左右方向への旋回制御)を行うことを可能にしている。なお、本実施形態では、搭乗者の左右方向への重心移動により変化する左右の駆動付き車輪21にかかる接地圧の大きさに応じて、左右の駆動付き車輪21の回転数に差異を生じさせることにより、より旋回しやすい状態とすることができる。
例えば、搭乗者の重心位置が右側に移動すると、右側の駆動付き車輪21の接地圧が大きくなって回転数が落ち、左側の駆動付き車輪21の方が回転数が多くなるため、一人乗り移動機器が右方向に対してより旋回しやすい状態となる。逆に、搭乗者の重心位置が左側に移動すると、左側の駆動付き車輪21の接地圧が大きくなって回転数が落ち、右側の駆動付き車輪21の方が回転数が多くなるため、一人乗り移動機器が左方向に対してより旋回しやすい状態となる。
なお、キャスター22にキャンバー角を持たせることに加えて、搭乗台10とキャスター22との間に弾性部材を備えるようにしてもよい。図6は、本実施形態によるキャスター22の取り付け構造に関する他の例を示す図である。ここでは3つの構成例を示している。図6(a)の例では、キャスター22のプレート22aの4箇所と搭乗台10とを4つのネジ22b,22cによってネジ止めするとともに、プレート22aの略全領域(ネジ止めした4箇所により形成される領域)と搭乗台10との間に弾性部材61を備えている。
このように構成した場合、搭乗者の重心移動により搭乗台10に荷重がかけられたときに、弾性部材61が弾性変形することによってキャンバー角がより大きくなるため、左右方向への旋回性が向上する。すなわち、搭乗台10に対して下方への加重が行われると、搭乗台10の中寄り部分が下方に撓む。これにより、キャスター22の内側にも下方への力が加わる。このとき、キャスター22にキャンバー角が付けられているため、内側に加わる下方への力の反作用で、キャスター22の外寄り部分に上方への応力が発生する。この応力によって、弾性部材61の外側部分が弾性変形して薄くなる結果、キャスター22のキャンバー角が僅かに大きくなる。これにより、左右方向への旋回性が向上する。
図6(b)の例では、キャスター22のプレート22aの内側2箇所と搭乗台10とを2つのネジ22bによってネジ止めするとともに、プレート22aの外側領域と搭乗台10との間に弾性部材61を備えている。上述のように、搭乗者による搭乗台10に対する加重によって弾性部材61が弾性変形するのは外側部分である。そこで、図6(b)の例は、プレート22aの外側領域のみに弾性部材61を備えるようしている。
また、図6(b)の例では、プレート22aの外側はネジ止めされていないので、搭乗台10への加重による反作用で、キャスター22のプレート22aの外寄り部分に生じる上方への応力が弾性部材61に伝わりやすくなる。これにより、キャンバー角がより変化しやすい状態とすることができる。
図6(c)の例では、キャスター22のプレート22aの内側2箇所のみと搭乗台10とを2つのネジ22bによってネジ止めするだけで、プレート22aと搭乗台10との間に弾性部材は備えていない。そのため、プレート22aの外寄り部分と搭乗台10との間には空隙が存在する。
このように構成した場合、搭乗台10への加重による反作用で、キャスター22のプレート22aの外寄り部分が上方へ変位するため、キャンバー角が大きくなる。なお、弾性部材61があると、走行時の衝撃を吸収する緩衝材としても機能するので、その点では弾性部材61を設けるのが好ましい。
なお、以上では、キャスター22の搭乗台10への取り付け方によってキャンバー角を付設する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図7に示すように、搭乗台10そのものに対してキャンバー角を付設するようにしてもよい。図7の例では、搭乗台10のキャスター22が取り付けられた部分12が、正面から見たときに外側から内側に向かって徐々に低くなる傾斜を有している。このようにすることにより、キャスター22を搭乗台10に普通に取り付けても、キャスター22がキャンバー角を有する状態とすることができる。
なお、図7に示す例では、搭乗台10の外側領域において傾斜が付けられている部分(傾斜領域)12と、搭乗台10の中央領域において傾斜が付けられていない部分との境界部分にU字溝13を形成している。これにより、搭乗台10のU字溝13より内側の中央領域に対して下方への加重が行われたときに、当該中央領域が下方に撓み、その反作用でU字溝13より外側の傾斜領域12が上方へ変位するため、キャスター22のキャンバー角が大きくなる。これにより、左右方向への旋回性を向上させることができる。なお、溝の形状はU字に限定されない。
図8は、本実施形態によるキャスター22の取り付け構造に関する他の例を示す図である。図8に示す例において、2つのキャスター22は、側面から見たときに上部が後方に傾くキャスター角を更に有している。図8の例では、キャスター22のプレート22aの4箇所と搭乗台10とをネジ止めする際に、4本のネジ22b-1,22b-2,22c-1,22c-2をそれぞれの足の長さが異なるものを使用している。
ここで、足の長さは以下のように設定している。
外側の前方のネジ22c-2<内側の前方のネジ22b-2≦外側の後方のネジ22c-1<内側の後方のネジ22b-1
これにより、2つのキャスター22に対し、正面から見たときに上部が内側に傾くキャンバー角を持たせるとともに、側面から見たときに上部が後方に傾くキャスター角を持たせるようにしている。
外側の前方のネジ22c-2<内側の前方のネジ22b-2≦外側の後方のネジ22c-1<内側の後方のネジ22b-1
これにより、2つのキャスター22に対し、正面から見たときに上部が内側に傾くキャンバー角を持たせるとともに、側面から見たときに上部が後方に傾くキャスター角を持たせるようにしている。
キャスター22にキャスター角を持たせることにより、一人乗り移動機器の直進性を増すことができる。上述のように、キャスター22にキャンバー角を持たせた場合、左右方向への旋回性が向上する。このため、搭乗者の意図しない左右方向への重心移動(バランスを崩した場合など)によって、一人乗り移動機器が小刻みに左右方向へ旋回し、ふらつくような走行になってしまう恐れがある。これに対し、キャスター22にキャスター角を持たせると、直進性が増すので、直進時における走行の安定性を確保することができる。すなわち、キャンバー角を持たせたキャスター22が、搭乗者のわずかな重心移動に敏感に反応して左右方向に回転することにより、直進時にふらついたような走行になってしまうという問題を回避することができる。
また、キャスター22にキャスター角を持たせた場合、直進時の走行安定性だけでなく、旋回時の走行安定性も向上させることができる。すなわち、キャンバー角に加えてキャスター角を持たせることにより、一人乗り移動機器がどのような速度で走行している場合でも、より安定した状態で旋回することができるというメリットを有する。つまり、キャンバー角の効果によって一人乗り移動機器が急旋回し過ぎることをキャスター角によって抑制することができる。
なお、図8の例では、キャスター22の搭乗台10への取り付け方によってキャスター角を付設する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図9に示すように、キャスター22’の構造によって、キャスター角を付設するのと同等の効果を得るようにすることも可能である。
図9の例において、キャスター22’は、搭乗台10へ取り付けるプレート22aの位置よりも後方に、車輪の回転軸22dが大きく偏芯している。すなわち、図5~図7に示したキャスター22と比べて、プレート22aの位置から車輪の回転軸22dまでの偏芯距離を長くしている。このように構成したキャスター22’を図5~図7のように取り付けることにより、キャスター22’に対してキャンバー角およびキャスター角を付設することが可能である。
なお、上記実施形態において、キャスター22,22’は、2つの車輪を平行に並べて1つの車輪のように使うタイプの双輪キャスタであってもよい。また、図10に示すような球型のキャスター22”を用いてもよい。図10は、球型のキャスター22”に対してキャンバー角およびキャスター角を持たせた例を示している。球型のキャスター22”を用いてキャンバー角を持たせた場合、キャスター22”が加重を受けて外側に向かって回転する際に、より滑らかに回転するため、左右方向へ旋回する際の走行の安定性も確保することができる。
また、上記実施形態では、駆動付き車輪21とモータ31とを連結する連結部材の一例として、図2のような連結部材32(歯車によって駆動付き車輪21の車軸33とモータ31の回転軸とを連結する構成)を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図11に示すように、モータ31の回転軸と駆動付き車輪21の車軸33とをタイミングベルト35等により連結する構成としてもよい。
あるいは、前後の車輪をタイミングベルト等でかけ渡したキャタピラ型の構成にて駆動付き車輪21を構成し、当該前後の車輪の何れか一方にモータ31の回転軸を連結させる構成としてもよい。
また、上記実施形態では、2つのモータ31によって2つの駆動付き車輪21をそれぞれ独立して駆動する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、1つのモータによって2つの駆動付き車輪21を駆動するようにしてもよい。この場合、2つの駆動付き車輪21と1つのモータとを連結する連結部材の一例として、ディファレンシャルギアを用いることが可能である。このようにすれば、1つのモータにより2つの駆動付き車輪21を同じ印加電圧(トルク)で駆動しつつも、搭乗台10の上に乗った搭乗者の重心位置に応じて2つの駆動付き車輪21にかかる接地圧の変化によって、当該2つの駆動付き車輪21の回転数が変わるようにすることができる。
あるいは、図12に示すように、1つのモータ31の左右に連結部材32を設け、これによって1つのモータ31で2つの駆動付き車輪21を駆動するようにしてもよい。この場合、搭乗台10の上に乗った搭乗者の重心位置に応じて、2つの駆動付き車輪21にかかる接地圧が変わったとしても、当該2つの駆動付き車輪21の回転数は変わらない。しかしながら、キャスター22にキャンバー角が付いているので、搭乗者の重心移動により、一人乗り移動機器を左右方向へ旋回させることが可能である。
また、上記実施形態では、駆動付き車輪21とモータ31とを連結部材によって連結する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図13に示すように、インホイールモータを用いることにより、駆動付き車輪21とモータとの間の連結部材を省略することも可能である。
また、上記実施形態では、前輪としての駆動付き車輪21を左右に2つ設ける例について説明したが、中央に1つのみ設ける構成としてもよい。
その他、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
10 搭乗台
21 駆動付き車輪(前輪)
22,22’,22” キャスター(後輪)
31 モータ
32 連結部材
21 駆動付き車輪(前輪)
22,22’,22” キャスター(後輪)
31 モータ
32 連結部材
Claims (10)
- 搭乗台に車輪を設けた構成タイプで、搭乗者の重心移動により走行制御を行うことが可能になされた一人乗り移動機器であって、
前輪としての駆動付き車輪および後輪としての左右のキャスターにより構成された複数の車輪と、
上記駆動付き車輪を駆動するモータと、
上記複数の車輪が取り付けられるとともに、上記モータを収容する上記搭乗台とを備え、
上記左右のキャスターは、正面から見たときに上部が内側に傾くキャンバー角を有していることを特徴とする一人乗り移動機器。 - 上記左右のキャスターは、側面から見たときに上部が後方に傾くキャスター角を有していることを特徴とする請求項1に記載の一人乗り移動機器。
- 上記左右のキャスターに上記キャンバー角を持たせることに代えて、上記搭乗台の上記左右のキャスターが取り付けられた部分が、正面から見たときに外側から内側に向かって徐々に低くなる傾斜を有していることを特徴とする請求項1または2に記載の一人乗り移動機器。
- 上記左右のキャスターは、上記搭乗台への取り付け位置よりも後方に回転軸が偏芯していることを特徴とする請求項1または3に記載の一人乗り移動機器。
- 上記搭乗台と上記キャスターとの間に弾性部材を備えたことを特徴とする請求項1または2に記載の一人乗り移動機器。
- 上記キャスターのプレートの内側2箇所と上記搭乗台とをネジ止めするとともに、上記プレートの外側領域と上記搭乗台との間に上記弾性部材を備えたことを特徴とする請求項5に記載の一人乗り移動機器。
- 上記キャスターのプレートの4箇所と上記搭乗台とをネジ止めするとともに、上記プレートの略全領域と上記搭乗台との間に上記弾性部材を備えたことを特徴とする請求項5に記載の一人乗り移動機器。
- 上記キャスターのプレートの内側2箇所と上記搭乗台とをネジ止めし、上記プレートの外寄り部分と上記搭乗台との間に空隙が存在するようにしたことを特徴とする請求項1または2に記載の一人乗り移動機器。
- 上記搭乗台の上記傾斜を有している領域と、上記搭乗台において傾斜を有していない領域との境界部分に溝を形成したことを特徴とする請求項3に記載の一人乗り移動機器。
- 上記前輪は、左右の駆動付き車輪により構成されており、
上記搭乗者の重心位置に応じて上記左右の駆動付き車輪にかかる接地圧が変わるように構成し、当該接地圧によって、上記左右の駆動付き車輪の回転数が変わるようにしたことを特徴とする請求項1~9の何れか1項に記載の一人乗り移動機器。
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