JP5276719B2

JP5276719B2 - 倒立振子型移動体

Info

Publication number: JP5276719B2
Application number: JP2011531648A
Authority: JP
Inventors: 一司浜谷; 寛則和井田; 洋五味; ▲俊▼憲辛; 一志秋元
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2029-09-18
Also published as: US20120175176A1; WO2011033574A1; JPWO2011033574A1; DE112009005240B4; US8381859B2; DE112009005240T5

Description

本発明は、車輪等によって移動する倒立振子型の移動体に関する。

従来、倒立振子型移動体として、電動モータにより駆動される複数の車輪と、操作者が搭乗するステップと、このステップに垂直に設けられた姿勢保持用のハンドルと、搭乗した操作者を支持する座席とを有し、倒立振子制御により電動モータを駆動して本体の倒立姿勢を維持するように動作するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２５３５６５号公報

上記特許文献１に記載された倒立振子型移動体では、ジャイロセンサ等で検出された本体の傾きや、ステップに内蔵された荷重センサで検出された本体への荷重等の情報に応じて電動モータの駆動が制御されている。この種の倒立振子型移動体においては、車輪の空転を防ぐための１つの方策として、操作者が倒立振子型移動体を持ち運ぶ等の際に倒立振子型移動体に作用する力（例えば、本体において操作者が把持する部位に作用する上向きの力）の情報を必要する場合がある。

しかしながら、上記従来の倒立振子型移動体において、操作者が把持する部位に作用する力を検出するために専用のセンサを設けると、倒立振子型移動体の構成が複雑となり、装置重量が増大し、更にコストも嵩むという問題があった。加えて、上記従来の倒立振子型移動体のように、操作者を支持する座席を備えた構成では、ステップに内蔵された荷重センサから得られる情報だけでは、操作者の荷重や重心の移動を精度良く推定することが難しい。

本発明は、このような従来技術の課題を鑑みて案出されたものであり、単一の力センサを用いて、荷重受け部に作用する力を精度良く検出できるとともに、操作者が移動体を持ち運ぶ等の際に支持部に作用する力を検出可能とする倒立振子型移動体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、移動用の走行ユニットを保持する下部フレームと、当該下部フレームに対して分離可能に接続された上部フレームとを有する倒立振子型移動体であって、前記下部フレームには、外力が入力される入力部を有する力センサが設けられ、前記上部フレームには、操作者または積載物の荷重を受ける荷重受け部と、搭乗状態にない操作者による倒立振子型移動体の支持に供される支持部とが設けられ、当該上部フレームは、前記力センサの入力部を介して前記下部フレームに接続されている構成とする。

また、第２の発明として、前記荷重受け部は、使用可能状態となる使用位置と、使用不能状態となる格納位置との間を移動可能に設けられ、前記使用位置にある場合には、前記支持部の少なくとも一部を覆う構成とすることができる。

また、第３の発明として、前記支持部は、前記荷重受け部が前記格納位置にある場合には、当該荷重受け部よりも上方に位置する構成とすることができる。

上記第１の発明によれば、上部フレームが、荷重受け部および支持部を備えると共に、力センサの入力部を介して下部フレームに接続される構成としたため、単一の力センサを用いて、荷重受け部に作用する力（すなわち、操作者または積載物による荷重や操作者等の重心の移動）を精度良く検出できるとともに、操作者が倒立振子型移動体を持ち運ぶ等の際に支持部に作用する力を検出可能となるという優れた効果を奏する。
また、上記第２の発明によれば、荷重受け部が、使用可能状態にある場合には、支持部を覆って操作者による支持部の使用（すなわち、支持部からの荷重の入力）を妨げる構成としたため、力センサに入力される荷重が荷重受け部からの荷重に限定されて、荷重受け部に作用する力を検出する精度が向上すると共に、力センサの検出結果に基づく倒立振子型移動体の制御が容易となる。
また、上記第３の発明によれば、支持部が、格納位置にある荷重受け部よりも上方に位置するため、搭乗状態にない操作者は、支持部を把持し易くなってその優先的な使用が促され、その結果、力センサに入力される荷重が支持部からの荷重に限定されて、支持部に作用する力を検出する精度が向上すると共に、力センサの検出結果に基づく倒立振子型移動体の制御が容易となる。

実施形態に係る倒立振子型移動体の斜視図である。実施形態に係る倒立振子型移動体の搭乗可能状態（サドルおよびステップを展開した状態）を示す斜視図である。実施形態に係る倒立振子型移動体のサドルの構造を示す断面図である。実施形態に係る倒立振子型移動体の走行ユニットの正面図である。実施形態に係る倒立振子型移動体を一部破断して示す上部フレームと下部フレームとの接続構造の斜視図である。実施形態に係る倒立振子型移動体の制御系の要部を示すブロック図である。

以下、図１から図６を参照しながら、本発明の実施形態に係る倒立振子型移動体の詳細について説明する。説明にあたり、倒立振子型移動体およびその構成要素の方向については、図１中の矢印で示す方向にしたがって、上下、前後、左右を定める。

図１に示すように、倒立振子型移動体（以下、単に移動体と略称する）１は、側面視において上下方向の中央に括れ部が形成された略８の字状のハウジング２を有する倒立振子型の一輪車である。ハウジング２は、その括れ部において上下に分離可能に接続された上部フレーム３と下部フレーム４とを有している。

上部フレーム３は、ハウジング２の上半分を構成し、その左右両側には、図２にも示すように、円盤状の座部からそれぞれ構成される左右分離型の格納式のサドル１１Ｌ，１１Ｒが設けられている。左右のサドル１１Ｌ，１１Ｒは、搭乗した操作者１２の左右の臀部や大腿部をそれぞれ下側から支持することによって操作者１２の荷重を受ける。

サドル１１Ｌ，１１Ｒは、使用可能状態となる使用位置（図３中の２点鎖線参照）と、格納状態（すなわち、使用不能状態）となる格納位置（図１参照）との間を移動可能となっている。サドル１１Ｌ，１１Ｒは、格納位置において、上部フレーム３を左右方向に貫通するようにして形成された略円筒状のサドル格納部１３にそれぞれ格納される。

図３に示すように、サドル１１Ｌ，１１Ｒは、左右一対のサドルアーム１４Ｌ，１４Ｒを介して、上部フレーム３内において前後方向に延設された支持軸１５に回動自在に支持されている。支持軸１５が挿入される左サドルアーム１４Ｌの基端部２１は、その円弧状の外周部に２つの固定用の溝２２，２３が形成されている。また、基端部２１の上側近傍には、ばね（図示せず）により下方に付勢されると共に、下方に突設されたキー部２５ａを有するロック部材２５が設けられている。

サドル１１Ｌが使用位置に移動すると、同時に基端部２１の第１の溝２２が上側に移動し、ロック部材２５のキー部２５ａがサドルアーム１４Ｌの第１の溝２２に嵌合する。一方、サドル１１Ｌが格納位置に移動すると、同時に基端部２１の第２の溝２３が上側に移動し、ロック部材２５のキー部２５ａがサドルアーム１４Ｌの第２の溝２３に嵌合する。このようなロック機構により、使用位置および格納位置におけるサドルアーム１４Ｌの移動が規制され、サドル１１Ｌがそれぞれの位置で安定的に保持される。また、上部フレーム３には、ばねの付勢力に抗してロック部材２５を上昇させるロック解除機構（図示せず）が設けられており、操作者は、そのロック解除機構を用いてサドルアーム１４Ｌの移動規制を解除することができる。

また、右サドルアーム１４Ｒについても、左サドルアーム１４Ｌと同様のロック機構が設けられている。右サドルアーム１４Ｒは、図示しないリンク機構を介して左サドルアーム１４Ｌに連結されており、一方のサドルアームの回動動作は、他方のサドルアームの回動動作に連動して行われる。

なお、移動体１におけるサドル１１Ｌ，１１Ｒは、本実施形態のように操作者１２が搭乗するために使用するものに限定されず、任意の積載物（例えば、操作者１２が運ぶ荷物等）を支持可能とした構成も可能である。その場合、サドル１１Ｌ，１１Ｒの形状も支持対象に応じて種々の変更が可能である。

上部フレーム３の上壁には、操作者による移動体１の支持に供される格納式のハンドル３１が設けられている。ハンドル３１は、不使用時は、図１中の実線で示すように、上部フレーム３の上壁に設けられた凹部からなるハンドル格納部３２に格納される。一方、ハンドル３１は、使用時には、図１中の２点鎖線で示すように、前後の脚部３１ａが上方にスライドすることにより上部フレーム３の上方に突出する。操作者は、ハンドル３１を把持して、移動体１を持ち上げて運んだり、運転停止中の移動体１を支えてその傾倒を防止したりすることができる。

図１に示すように、ハンドル３１は、使用時と格納時とに関わらず、サドル１１Ｌ，１１Ｒが格納位置にある場合には、そのサドル１１Ｌ，１１Ｒよりも上方に位置するように構成されている。これにより、搭乗状態にない操作者は、ハンドル３１を把持し易くなってその優先的な使用が促される。一方、図２，図３に示すように、使用位置にあるサドル１１Ｌ，１１Ｒは、平面視においてハンドル３１上に重なってハンドル３１の一部（ここでは、中央部）を覆うように構成されている。これにより、サドル１１Ｌ，１１Ｒが、使用可能状態にある場合には、ハンドル３１を覆って操作者によるハンドル３１の使用が妨げられる。

下部フレーム４は、ハウジング２の下半分を構成し、図４に示すように、移動体１の移動に供される走行ユニット４０を保持する。走行ユニット４０は、主輪４１と、主輪４１を駆動する左右の駆動体４２Ｌ，４２Ｒと、駆動体４２Ｌ，４２Ｒに動力を付与する左右の電動モータ４３Ｌ，４３Ｒとを主として備える。主輪４１は、無端円環状の環状体４４と、この環状体４４の複数の所定部位における接線方向の軸線周りに回転可能にそれぞれ取り付けられた複数のドリブンローラ４５とにより構成されている。また、駆動体４２Ｌ，４２Ｒは、円錐台形のドライブディスク４６Ｌ、４６Ｒと、このドライブディスク４６Ｌ、４６Ｒのテーパ状の周面に所定の間隔をおいて複数取り付けられたドライブローラ４７Ｌ，４７Ｒにとにより構成されている。ドライブローラ４７Ｌ，４７Ｒは、その周面が各ドリブンローラ４５の周面に接する状態で中心軸Ｄ周りに回転自在に配置されている。その中心軸Ｄは、主輪４１の中心軸Ａ（輪中心）に対して、直交および平行の何れでもない傾斜方向に延在する。

また、主輪４１は、その左右をドライブローラ４７Ｌ，４７Ｒにより挟持されるようにして支持され、電動モータ４３Ｌ，４３Ｒによってドライブディスク４６Ｌ、４６Ｒが回転駆動されることにより、自身の中心軸Ａと同軸のドライブディスク４６Ｌ、４６Ｒの中心軸Ｂの周りに回転可能となっている。

更に、図２に示すように、下部フレーム４の左右両側には、操作者１２の両足を下側から支持する左右のステップ５１Ｌ，５１Ｒが設けられている。ステップ５１Ｌ，５１Ｒは、図示しない軸回りに回動することにより、図１に示す格納状態（使用不能状態）の垂直位置と、図２に示す使用可能状態の水平位置との間を移動可能に設けられている。垂直位置におけるステップ５１Ｌ，５１Ｒは、下部フレーム４の左右側壁にそれぞれ設けられた凹部からなるステップ格納部５２に格納される。

上記構成の上部フレーム３と下部フレーム４とは、図５に示すように、ハウジング２の上下方向の中央に位置する括れ部において互いに接続されている。この接続部位には、荷重センサ６０が配置されている。荷重センサ６０は、ここでは、ｚ軸方向（鉛直方向）の力およびｘ軸，ｙ軸回りのモーメントを検出可能な３軸力センサから構成されている。荷重センサ６０は、センサ基盤を内蔵するボディ部６０ａと、このボディ部６０ａから上方に突出すると共に、検出する外力が入力される略円筒状の入力部６０ｂとを有している。入力部６０ｂの外周にはねじ溝が形成されている。また、ボディ部６０ａは、センサ支持部材６１によって支持されている。

センサ支持部材６１は、その周囲４箇所（図５中では前側の２ヶ所のみを示す）にボルト挿通孔を備えた連結部６１ａが設けられている。また、下部フレーム４の上部における左右壁の内面にはマウント部材６２がそれぞれ固着されている。このマウント部材６２には、センサ支持部材６１の各連結部６１ａに対応する位置にボルト孔を備えた連結部６２ａがそれぞれ設けられている。センサ支持部材６１は、固定ボルトＢをその連結部６１ａに挿通した状態で、マウント部材６２の連結部６２ａに螺合締結させることにより、下部フレーム４に取り付けられる。また、センサ支持部材６１の内部には、ジャイロスコープ等から構成される傾斜センサ６４が収容されている。

一方、上部フレーム３のサドル格納部１３の下部には、底部中央に円形の開口部６５ａが形成された接続凹部６５が設けられている。接続凹部６５は、荷重センサ６０の入力部６０ｂの先端側に螺合するナット部材６７を締め付けることにより、当該ナット部材６７と、入力部６０ｂのねじ溝に螺合締結された固定部材６８との間で上下に挟持固定されている。また、下部フレーム４の上部開口を画成する周縁部７１は、上部フレーム３の下部開口を画成する周縁部７２よりもやや小径に形成されており、周縁部７２の内側に遊嵌された状態にある。

このように、移動体１では、上部フレーム３が、操作者または積載物の荷重を受けるサドル１１Ｌ，１１Ｒを備えると共に、荷重センサ６０の入力部６０ｂを介して下部フレーム４に接続される構成としたため、上部フレーム３にはサドル１１Ｌ，１１Ｒ等に掛かる荷重を検出するための荷重センサ等を設ける必要がなく、サドル等の構成変更や故障に際して上部フレーム３のみを交換する場合の自由度が高まるという利点がある。

上記構成の移動体１では、主輪４１は、傾斜センサ６４および荷重センサ６０とを用いた倒立振子制御のもとに、上部フレーム３と下部フレーム４との全体を起立姿勢に保ち、一輪車として前後左右斜めの全方向の走行が可能である。図６に示すように、移動体１の制御系は、マイクロコンピュータを含む制御装置８１と、電動モータ４３Ｌ，４３Ｒを駆動するためのモータドライブ回路８２Ｌ，８２Ｒと、荷重センサ６０と、傾斜センサ６４とを主として備える。

制御装置８１は、傾斜センサ６４の検出結果を取得し、公知の演算処理を実施して、移動体１の鉛直方向に対する傾斜角およびその変化速度を算出する。更に、制御装置８１は、その算出した傾斜角およびその変化速度と、移動体１の傾斜角の目標値とに基づき、左右の電動モータ４３Ｌ，４３Ｒの回転角速度の目標値を決定することにより、その目標値にしたがって電動モータ４３Ｌ，４３Ｒをフィードバック制御する。

また、制御装置８１は、荷重センサ６０の検出結果として荷重検出値を取得し、その荷重検出値が所定の閾値よりも大きいか否かによって操作者が搭乗（すなわち、サドル１１Ｌ，１１Ｒに着座）しているか否かを判定する。制御装置８１は、予め設定された複数の動作モードを有しており、操作者が搭乗していると判定した場合、動作モードとして搭乗モードを選択する。そして、制御装置８１は、荷重センサ６０で検出された操作者からの荷重を含む移動体１全体の重心に応じて移動体１の傾斜角の目標値を設定する等、倒立振子制御用の各種パラメータとして搭乗モード用の値を設定する。この場合、移動体１は、使用可能状態にあるサドル１１Ｌ，１１Ｒがハンドル３１に重なって操作者によるハンドル３１の使用が妨げられる構成であるため、荷重センサ６０に入力される荷重がサドル１１Ｌ，１１Ｒからの荷重に限定されて荷重センサ６０の検出精度（すなわち、操作者が搭乗しているか否かの判定の精度）が向上し、荷重センサ６０の検出結果に基づく移動体１の制御が容易となる。

また、制御装置８１は、操作者が搭乗していないと判定した場合、動作モードとして自立モードを選択し、操作者からの荷重を含まない移動体１全体の重心点に応じて移動体１の傾斜角の目標値を設定する等、倒立振子制御用の各種パラメータとして自立モード用の値を設定する。

さらに、制御装置８１は、操作者が搭乗していないと判定し、かつ、搭乗者がハンドル３１を把持して上向きの荷重をかけている（すなわち、荷重センサ６０の荷重検出値が負の値である）と判定した場合、動作モードとして停止モードを選択し、主輪４１を停止させてその空転を防止する。この場合、移動体１は、ハンドル３１がサドル１１Ｌ，１１Ｒよりも上方に位置して、その優先的な使用が操作者に対して促される構成であるため、荷重センサ６０に入力される上向きの荷重がハンドル３１からの荷重に限定されて荷重センサ６０の検出精度（すなわち、搭乗者がハンドル３１を把持して上向きの荷重をかけているか否かの判定の精度）が向上し、荷重センサ６０の検出結果に基づく移動体１の制御が容易となる。

なお、上記構成に加え、図３，図６に示すように、サドル１１Ｌ，１１Ｒが使用位置と格納位置とのいずれに位置するかを判定するサドルセンサ９１を設け、その検出結果を制御装置８１が利用する構成とすることにより、操作者が搭乗しているか否かの判定の精度をより向上させることができる。同様に、ハンドル３１が使用可能状態（上方スライドした突出状態）にあるか否かを判定するハンドルセンサ９２を設け、その検出結果を制御装置８１が利用する構成とすることにより、搭乗者がハンドル３１を把持して上向きの荷重をかけているか否かの判定の精度より向上させることができる。また、場合によっては、サドル１１Ｌ，１１Ｒとハンドル３１との一方が使用状態にある場合に、他方が格納状態でロックされるような選択的ロック機構を設けることもできる。

本発明を特定の実施形態に基づいて詳細に説明したが、これらの実施形態はあくまでも例示であって、本発明はこれらの実施形態によって限定されるものではない。例えば、本発明に係る倒立振子型移動体は、上述のような一輪車に限らず、車輪（主輪）を複数備えた構成も可能である。また、搭乗状態にない操作者が倒立振子型移動体を支持するための支持部は、少なくとも搭乗者による上部フレームの支持を容易とする構成である限りにおいて、上述のハンドルに限らず種々の変更が可能である。また、操作者が上部フレームの荷重受け部にかける荷重は、サドルへの着座時の荷重に限らず、操作者自身を支えさせる（例えば、倒立振子型移動体を杖のように利用して操作者の歩行を補助する）ためのものでもよい。また、従来技術の場合と同様に、操作者の荷重を受ける荷重センサを左右のステップに更に設けてもよい。なお、上記実施形態に示した本発明に係る倒立振子型移動体の各構成要素は、必ずしも全てが必須ではなく、少なくとも本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。

１倒立振子型移動体
３上部フレーム
４下部フレーム
１１Ｌ，１１Ｒサドル（荷重受け部）
１２操作者
１３サドル格納部
３１ハンドル（支持部）
４０走行ユニット
４１主輪
６０荷重センサ（力センサ）
６０ｂ入力部
６４傾斜センサ
６５接続凹部
８１制御装置

Claims

移動用の走行ユニットを保持する下部フレームと、当該下部フレームに対して分離可能に接続された上部フレームとを有する倒立振子型移動体であって、
前記下部フレームには、外力が入力される入力部を有する力センサが設けられ、
前記上部フレームには、操作者または積載物の荷重を受ける荷重受け部と、搭乗状態にない操作者による倒立振子型移動体の支持に供される支持部とが設けられ、当該上部フレームは、前記力センサの入力部を介して前記下部フレームに接続されていることを特徴とする倒立振子型移動体。
前記荷重受け部は、使用可能状態となる使用位置と、使用不能状態となる格納位置との間を移動可能に設けられ、前記使用位置にある場合には、前記支持部の少なくとも一部を覆うことを特徴とする、請求項１に記載の倒立振子型移動体。
前記支持部は、前記荷重受け部が前記格納位置にある場合には、当該荷重受け部よりも上方に位置することを特徴とする、請求項２に記載の倒立振子型移動体。