個人移動用具
【課題】自走ができて、安全な走行を容易とすると共に、走行の制御を搭乗者の重心位置から行うようにした個人移動用具の提供。
【解決手段】人を乗せて移動させるインラインスケートのような個人移動用具にあって、人の足を固定する部位３０、フレーム３、４、車輪６、７を配した移動用具本体と、車輪６を回転させ、前記フレーム３、４に固定のモータ１５と、乗る人の重心位置を足裏の圧力中心の前後方向から検出する重心位置検出手段３６と、重心位置から目標速度を演算する制御手段４２と、この制御手段の出力からモータへ駆動電流を出力する駆動手段１４とより成っている。
【解決手段】人を乗せて移動させるインラインスケートのような個人移動用具にあって、人の足を固定する部位３０、フレーム３、４、車輪６、７を配した移動用具本体と、車輪６を回転させ、前記フレーム３、４に固定のモータ１５と、乗る人の重心位置を足裏の圧力中心の前後方向から検出する重心位置検出手段３６と、重心位置から目標速度を演算する制御手段４２と、この制御手段の出力からモータへ駆動電流を出力する駆動手段１４とより成っている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車輪を転がらせ移動するもので、詳しくは両足に装着し、モータの回転力にて移動せしめる個人の移動用具に関する。
【背景技術】
【０００２】
人類は今までに、電車、車、バイク、自転車等の多くの移動用具を開発してきた。輸送用の移動手段、スポーツ用の移動手段に大別できる。そして、足に装着しての移動手段として、ローラースケート等がある。このローラースケートは、駆動力を持たずに、人の足の蹴力を利用して前進するものであるが、これでは、個人の移動手段として魅力的なものではない。
【０００３】
従来例として、靴等の履物に電動機（モータ）を装着した例として、特許文献１を示すことができる。この特許文献１には、履物の裏面にあって、かかと部に回転可能のホイールが設けられ、このホイールが電動モータにより、回転され、履物及びこれをはいている人が前進させられる装置で、その出願人は電動ヒーリング装置と称している。
【０００４】
この電動ヒーリング装置には、例では段落[００８０]に記載されているように、「図２２は、本発明に使用される電動ヒーリング装置１０００の斜視図である。電動ヒーリング装置は、バッテリー１０４を有するベルト１００２を具えており、配線されたスロットル１００６により、履物１０１０のヒール開口部に配置された電動車輪アセンブリの制御が行われる。スロットル１００６は通常、回路（例えば、速度コントローラ）を含んでおり、電動ホイールアセンブリ１００８に供給される電力量又はエネルギー量が制御される。この方法では、使用者は、履物１０１０の爪先部１０１２でウォーキングを行い、次に、例えば、身体の重心を履物１０１０のかかと部へ移動させて、電動ホイールアセンブリ１００８のホイールで受動的ローリングを行い、次に、電動ホイールアセンブリ１００８のモータに電力を供給して電気駆動によるローリングを行う。」とあり、さらに段落[００８１]には、「図２３は電動ヒーリング装置１０２０の側部斜視図であり、後部に、本発明の一態様に係る直流モータ１０２０が取り付けられている。モータ１０２２の回転シャフトは、ベルト１０２４及び履物１０２８のかかと部の側部ホイール１０２６に結合され、ホイール１０２６は電気駆動によって回転する。他の実施例においては、スプラグスイッチは、モータ１０２２の回転シャフトとベルト１０２４のカップリングに用いられ、モータが動いていないとき、ホイールは、モータ巻線の抵抗無しで、ホイールを自由に回転させることができる。電動ヒーリング装置１０２０はまた、スロットル（好ましくはワイヤレススロットル）と電源（例えば、バッテリー源）を具えている。」と記述されている。
【０００５】
また、特許文献２は、本体フレームに駆動機構を設け、この駆動機構を足の力で、支点を中心に揺動させ、その動きを回転力に換えて走行速度を加減速するものであり、それに加えて、補助動力として、モータ１５を組込んだものが開示されています。段落[００２５]には、「この、別の駆動源を併用する機構では、ポテンショメータ１３、コントローラー１４、サーボモーター１５、電源１６を図５，図６のような位置に、ビスで本体フレーム３と固定する。ポテンショメータ１３は、駆動プレート２に取付られたギヤ１７、ポテンショメータ１３に取付られたギヤ１８を介して、駆動プレート２の変移角を捉えることが出来るように本体フレーム３に取り付ける。また、サーボデータ１５からシャット６ｂへの動力の伝達にスプロケット７ａ，チェーン８ｃ，スプロケットと一体の一方向回転クラッチ９ｂ、を増設した形状である。スプロケット７ａはサーボモーター１５の回転軸に取り付け、スプロケットと一体の一方向回転クラッチ９ｂはシャット６ｂに一方向回転クラッチ９ａと同じようにして取り付け、動力の伝達はチェーン８ｃにより伝わるように組み立てる。ポテンショメータ１３は駆動プレート２の変移角をコントローラー１４に信号として伝え、コントローラー１４を経由してサーボモーター１５を制御する。」と記述されている。
【０００６】
特許文献３は、コントローラーを手で操作せずに体重移動のみでスピードの加減速や旋回を行い、路面の凹凸等に対処可能な電動式移動体および電動式移動体の制御方法を提供するものである。段落[００１２]には、「電動ローラースケート１は、ベースプレート２と、駆動輪３と、電動モータ４と、制御装置５と、前方の補助輪６と、後方の補助車７と、電源装置８との各部から構成されてる。」と記述され、また段落[００１４]には「駆動輪３は、ベースプレート２の地面側に設置される車輪状の部材であり、電動モータ４から供給される動力によって回転し、電動ローラースケータ１の加減速を行う。」と記述されている。
【０００７】
段落[００２１]には、「次に制御装置５の構成について、図３にブロック図を用いて説明する。制御装置５は、ドライバ１０と、ＣＰＵ１１と、レゾルバ１２と、電流電圧センサ１３と、通信回路１４と、運動検出装置１５との機能からなる。」と記述され、また段落[００２６]には「運動検出装置１５は、電動ローラースケート１および乗り手の身体の運動の検出装置である。例としては回転体に加わるコリオリ力を検出することで動作を検出する振動ジャイロ等の検知手段であり、回転体に加わる圧力の検出をすることなどで電動ローラースケート１の運動を検出して信号化し、検出結果をＣＰＵ１１に送る。また、乗り手の体にも振動ジャイロ等の動作検出手段を取り付けておき、乗り手の身体の運動を検出して信号化し、検出結果をＣＰＵ１１に送る。乗り手の身体への取り付け位置の例としては、乗り手の腰位置にベルトで装着するなどが考えられるが、その場合には有線または無線によってＣＰＵ１１との情報伝達が可能となっているとする。運動検出手段１５として振動ジャイロ等を用いる場合には、複数の振動ジャイロを用いることでＸ軸方向やＹ軸方向やＺ軸方向への運動を検出し、運動検出の精度を向上させるとする。」と記述されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２００８−５０８９５３
【特許文献２】特開２００３−２９９７６４
【特許文献３】特開２００４−２４６１４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１にあっては、前述のように、スロットル１００６により電動ホイールアセンブリ１００８に供給される電力量又はエネルギー量が制御されるとあり、手動にて制御される絵が図２２に示されています。これでは、手に制御スロットルを持たなければならず、走行の安定性の採り方（両手で行う）に不安定である。また履物をはく人の重心をかかと部へと移行させているので、常に重心上からも不都合があり、更に回転力を加えるために、重心が後方へ移り、転倒する危険をもはらんでいる。
【００１０】
また、特許文献２にあっては、足ふみ型の駆動機構に加えて補助動力源として、モータを用いるもので、駆動プレート２の変移角を検出して動力のアシストをしています。これでは、モータの回転力のみで動かすこともできず、また駆動プレート２の揺動は、走行の不安定から逃れない不都合を有していた。
【００１１】
さらに特許文献３にあっては、運動検出装置１４は振動ジャイロであり、乗り手の体の運動を検出して信号化し、ＣＰＵに送るが、乗り手の身体への取り付け位置の例としては、乗り手の腰位置にベルトで装着している。この乗り手の腰位置に振動ジャイロがあると、身体を積極的に動かす動作をしなければならず、加減速の操作が遅れて、俊敏性に欠ける欠点を有していた。
【００１２】
そこで、この発明は、両足に履いて利用するインラインスケートのような個人移動用具にあって、自走ができて、安全な走行を可能とすると共に、走行の制御を搭乗者の重心位置から俊敏に行うことが出来る個人移動用具を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明に係る個人移動用具は、人の足を固定する部位と、フレームと、車輪を配した移動用具本体と、前記移動用具本体の車輪を回転させ、前記フレームに固定のモータと、前記移動用具本体上に乗る搭乗者の重心位置を検出する重心位置検出手段と、この重心位置検出手段より得られる重心位置から目標速度を演算する制御手段と、この制御手段の出力から前記モータへの回転駆動電流を出力する駆動手段とより成ることを特徴としている（請求項１）。
【００１４】
この構成から、移動用具を履き、移動しようとして立つと、搭乗者の体重が移動用具に係り、搭乗者の重心位置が重心位置検出手段により得られ、この重心位置から目標速度が制御手段により演算され、この演算結果より駆動手段からの駆動出力によりモータが回転され、そして車輪が従動され、搭乗者は移動用具に乗ったまま前進される。
【００１５】
この個人移動用具は、搭乗者の重心位置から目標速度が得られているので、その重心位置を自らのコントロールにより、得られる速度を任意に且つ俊敏に変化させることができる。
【００１６】
前記重心位置検出手段は、少なくとも足の裏の前後２ヶ所の圧力を測定する圧力センサより成るものが好ましい（請求項２）。これにより、搭乗者の足に加えられる前後２ヶ所の圧力が圧力センサから得られ、目標速度の演算の入力として用いられる。
【００１７】
前後制御手段としては、マイクロコンピュータが用いられることが好ましい（請求項３）。このマイクロコンピュータは１６ビットのＣＰＵが搭載している。動作周期２５（ＭＨｚ）、５１２キロバイトＲＯＭと８キロバイトのＲＡＭを持っている。
【００１８】
前記モータとこれにより駆動される車輪との間に減速機を備えていることが好ましい（請求項４）。これにより、モータの回転速度を減速することができる。
【００１９】
また、速度は最高速度に制限を持たすことが好ましい（請求項５）。これにより、所定速度例えば６ｋｍ／h程に制限され、安全性が保持される。
【００２０】
前記目標速度は、重心位置が足裏の圧力中心の前後方向の値から得るようにすることが好ましい（請求項６）。これにより、足裏に人の正面方向を正にとった軸を考え、直立静止状態の圧力中心から±１５ｍｍの範囲を原点としている。これは人の重心は外力が無くとも常に揺れ動いているため、原点を広くとっている。
【００２１】
また、前記目標速度は、重心位置から得られる傾斜角度により加速度を演算して得るようにすることでも良い（請求項７）。これにより、加速度を演算条件とすることで、上体角（傾斜角度）の揺れ幅が小さくなり、搭乗者の姿勢を安定させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、この発明によれば、移動用具上の搭乗者の重心が重心位置検出手段から得られ、この重心位置から目標速度が制御手段より演算される。この演算結果により駆動手段からの駆動出力が制御され、モータが回転され、車輪が従動される。このため移動用具上の搭乗者は前進される。この前進の速度は、重心位置に決定されているので、搭乗者自ら重心位置を変化させることで任意にコントロールすることができる（請求項１）。
【００２３】
前記重心位置検出手段は、足の裏の少なくとも前後２ヶ所の圧力を測定する圧力センサより成ることから（請求項２）、加速、減速の指令信号を俊敏に得られ、しかも搭乗者の動き、加速時は前傾、減速時は後傾に合う重心位置検出手段を得ることができる。
【００２４】
前記目標速度は、重心位置が足裏の圧力中心の前方又は後方の値から得られ、目標速度になるように車輪を加減速し、フィードバッグ制御して、所望の目標速度に至らしめている（請求項６）。
【００２５】
前記目標速度は、重心位置が足裏の圧力中心より前方又は後方の値から人の上体角度（傾斜角度）を得て、その傾斜角度により加速度を演算し、この加速度を演算条件として用い、目標速度になるように車輪を加減速し、フィードバッグ制御して、所望の目標速度に至らしめている。この結果として、搭乗者の傾斜角度の振れ幅をより少なくでき、姿勢を安定させることができる（請求項７）。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明に係る個人移動用具の斜視図でマイクロコンピュータと電源が外された状態である。
【図２】同上の側面図である。
【図３】同上の駆動機構の部分の倒立した上体での斜視図である。
【図４】個人移動用具の左足側部分の側面図である。
【図５】この発明の制御フローを示すフローチャートである。
【図６】倒立振子に関する説明図である。
【図７】ＣｏＰ制御モードの目標速度とＰＭＲ速度との特性線図である。
【図８】倒立振子制御則モードの目標速度とＰＭＲ速度との特性線図である。
【図９】ＣｏＰ制御と倒立振子制御則モードの傾斜角との特性線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本願発明の実施例について図面により説明する。
【実施例１】
【００２８】
まず、この発明の実施例１を説明すると、個人移動用具としてインラインスケートに実施した例を用いて説明する。図１は、斜視図、図２は側面図で、インラインスケートから成る個人移動用具１の右足側部分が示され、水平フレーム３と垂直フレーム４とより成る移動用具本体（ボディ）２を持っており、前記水平フレーム３は、体重を支えるに十分なる金属製の薄い平板状で、細長の長方形をなしている。また前記垂直フレーム４は、金属製で、断面がコ字状に形成され、前記水平フレーム３の下面で、その短手方向中央で且つ長手方向に沿って垂直フレーム４がねじ止めされて固着されている。
【００２９】
垂直フレーム４は、図３に示すように、倒立させて斜め底面側に見たように、コ字状の２つの垂直面４ａ、４ｂと水平面４ｃを持ち、前方側に車輪６と後方側に車輪７を設けている。前記前方の車輪６及び後方の車輪７は、それぞれ、軸８、９にて支えられている。
【００３０】
前方の車輪６は、前記軸８に固定され、軸８からの入力される回転力にて従動して回転される。この軸８の右側には、プーリ１１が固着され、張設のタイミングベルト１２から回転力が伝達される。
【００３１】
また、前記水平フレーム３の下方の垂直フレーム４には、前方の車輪６を回転させるための駆動機構１４も取付られている。この駆動機構１４は、主にモータ１５と減速機１６等とより構成され、両者は取付プレート１７を介して一体化されている。前記モータ１５は、ブラシレスモータ、２４Ｖが採用され、具体的には、前記垂直フレーム４の垂直面４ａ、４ｂの中央付近で形成の穴１８ａ、１８ｂに挿入され、この垂直面４ａ、４ｂに対して直角方向に配置されている。なお、モータ１５の右側には、回転速度を検出するエンコーダ１９が設けられ、回転速度がフィードバック信号として下記するマイクロコンピュータ４２に戻されている。
【００３２】
前記減速機構１６は、遊星歯車を用いた減速装置で、立方体を成し、一方側（左側）に入力側プーリ２０、他方側（右側）に出力側プーリ２１がそれぞれ設けられ、前記垂直面４ａ、４ｂの中央付近で前記モータ１５よりも前方側で垂直面４ａ、４ｂに対して直角方向に配置され、ねじ止めにて垂直面４ａに固着されている。
【００３３】
この減速機１６は、前記入力側プーリ２０から前記モータ１５の回転力がベルト２２を介して伝えられ、減速機１６内で減速（減速比は２５）され、出力側プーリ２１に伝えられる。
【００３４】
前記移動用具本体２の水平フレーム３の上方には、前方及び後方の部位に２本の取付支柱２５、２６が固着立設され、その上方に弾性変形する弾性体２７、２８を介して前記水平フレーム３と同形状のシェル取付プレート２９が取付られている。そしてシェル取付プレート２９は加えられる荷重（体重）により上下方向にｍｍ伸縮が可能となっている。
【００３５】
シェル取付プレート２９には、足を固定するシェル３０が固着されている。それから、このシェル取付プレート２９の反シェル側（水平プレート側）に、プッシュロッド３３、３４が、それぞれ足の親指付け根部分と、かかとの末端部分とに対応する部位にそれぞれ水平フレーム３に向けて取付られ、その先端と前記水平フレーム３との間に、圧力センサ３６、３７が配されている。
【００３６】
この圧力センサ３６、３７は、圧力を抵抗値変化の電気信号として取り出すことのできるもので、その電気信号は、下記するマイクロコンピュータ４２に入力される。この両圧力センサ３６、３７の電気信号により、搭乗者の重心が足の前方、後方又は中心にあるか否かマイクロコンピュータ４２内で判定される。
【００３７】
４０は、モータ１５を駆動するための駆動手段となるモータドライバーで、前記水平フレーム３上に固着され、シェル取付プレート２９下に配置されている。このモータドライバー４０は下記するマイクロコンピュータ４２からの出力信号にて稼働され、モータ駆動に適する電圧に変換してモータ１５に供給される。
【００３８】
マイクロコンピュータ４２は、移動用具本体２の後方に取付られており、前記モータ１５の回転力即ち前方の車輪６の駆動に関与している。このマイクロコンピュータ４２は、１６ビットのものが搭載され、中央演算装置（ＣＰＵ）と、ラム（ＲＡＭ）ロム（ＲＯＭ）の記憶装置と、入出力ポート（１／０）等を有する公知構造のものである。
【００３９】
このコンピュータ４２には、前記圧力センサ３６、３７からの圧力信号が入力され、所定のプログラムにしたがって演算され、前記したモータドライバー４０に出力されている。このコンピュータ４２内の演算処理は、図５のフローチャートをもって下記に詳細に説明する。なお、４３は電源で、モータドライバー４０等へ電力を供給している。また４４は手動制御時のリモートコントローラで、駆動スイッチ４５を入れ、摘み４６を回転させることで、抵抗値変化信号を出力し、速度をコントロールしている。それから、マイクロコンピュータ４２には、図示しないが、別の電源が設けられている。
【００４０】
以上、この発明を個人移動用具１として、インラインスケートに実施した構成を説明しており、その右足側部分に駆動機構１４が設けられた例であり、左足側部分は図４に示されている通り、モータなどの駆動機構１４は一切持っていない。
【００４１】
この左足側部分の個人移動用具１０１には、移動用具本体１０２としてコ字状に形成の垂直フレーム１０４が設けられ、この垂直フレーム１０４に４個の車輪１０８、１０９、１１０、１１１が軸１０８、１０９、１１０、１１１を介して回転自在に取付られている。それから、垂直フレーム１０４の上方に足を固定するシェル１３０が設けられている。１５０はスペーサで、前記右足側部分が駆動機構１４の装着により縦方向に高くなっている構成に対応するため、設けられている。
【００４２】
次に、この発明に係る個人移動用具（ＰＭＲ）１の操縦例を図５を加えて説明する。図示しない搭乗者は始動スイッチをＯＮとすることで、前記マイクロコンピュータ４２を稼働状態にし、操縦モードステップ２０１に至る。操縦モードは、三つのパターンがあり、第１に手動によるリモコン制御、第２に足裏圧力中心（ＣｏＰ）を用いた制御、第３に倒立振子制御則を用いた制御があります。その操縦モードの選択は搭乗者にまかされているが、特定の操縦モードに固定することもできる。
【００４３】
操縦モードの選択が完了したら、信号入力のステップ２０２に至り、第１のリモコン制御が選択された場合には、リモコン操縦信号が、第２、第３の操縦モードが選択された場合には、前記圧力センサ３６、３７から足裏の圧力が電気信号として入力される。それから、前記モータ１５に取付られているエンコーダ１９からも回転速度がフィードバックされる。そして次のステップ２０３に至る。
【００４４】
ステップ２０３にあっては、個人移動用具１の目標とする速度が演算される。第１のリモコン制御が選択された場合に、ステップ２０３では、目標速度が、下記の数式１により演算される。
【００４５】
【数１】
【００４６】
この数式において、Ｖｄ目標速度、Ｋｃは速度ゲイン、Ｅはリモコンからの信号である。このように、第１のリモコン制御においては、リモコンからの入力が目標速度に正比例するようになっている。尚、目標速度が５．８０ｋｍ／ｈ以上に、または０ｋｍ／ｈにならないよう制限が設けられている。
【００４７】
また、第２の足裏圧力中心（ＣｏＰ）制御が選択された場合には、ステップ２０３においては、目標速度が下記の数式２により求められる。
【００４８】
【数２】
【００４９】
上記数式において、Ｋｖは速度ゲイン、ＣｏＰは右足裏の圧力中心（Center of Pressure）の略である。このＣｏＰの座標系は次のようにとる。右足裏に人の正面方向を正にとった軸を考え、直立状態の圧力中心から±１５（ｍｍ）範囲内を原点とする。これは、人の重心は外力が無くとも常に揺れ動いているため、原点を広くとるようにしたものである。さらに、目標速度が５．８０ｋｍ／ｈ以上に、または０ｋｍ／ｈにならないよう制限がかけられている。
【００５０】
第３の倒立振子制御則モードが選択された場合に、ステップ２０３において目標速度が、下記の数式３により求められる。
【００５１】
【数３】
【００５２】
上記数式において、目標速度の決定因子として加速度が用いられる。これは、人により急な加速・減速により、バランスを崩す人が見られたため、倒立振子のモデリングを行い、安定した走行及び操作性の向上を図ったものである。尚、図６に質量が０の台車状にある倒立振子のモデルが示される。ここで、図中のｘは支点中心、δはＸ軸方向の支点中心からＣｏＰまでの距離、θは振子の傾斜角、ｌ(エル)は、振子の支点から重心までの長さを表す。尚、支点中心は直立姿勢におけるＣｏＰとし、Ｘ軸は進行方向、Ｚ軸は鉛直方向とするものである。このモデルにおける倒立振子の運動方程式は、次のようになる。
【００５３】
【数４】
【００５４】
上記数式４をθ＝０回りでcosθ≒１，sinθ≒θ（＝δ／ｌ）と線形近似し、Ｊ＝ｍｌ２／３を与えると、次のようになる。
【００５５】
【数５】
【００５６】
支点中心の加速度を入力とみなし、支点を加速させ振子の姿勢回復を行う。本モデルの連続時間系の状態方程式は次のようになる。
【００５７】
【数６】
【００５８】
ただし、Ｘ：状態変数（ｎ×１）、Ａｃ：ｎ×ｎ、Ｂｃ：ｎ×ｒ、Ｃ：ｍ×ｎ、ｎ＝２、ｍ＝１、ｒ＝１である。マイコンによるデジタル制御を行うために、数式６を離散化させ、次の式を得る。
【００５９】
【数７】
【００６０】
ただし、ｋはｋ番目の物理量、係数Ａ，Ｂは、下記する数式８，数式９である。
【００６１】
【数８】
【００６２】
【数９】
【００６３】
Ｔはサンプリング周期である。さらに、数式７に最適ｌ型ディジタルサーボ系を適用し、安定化制御を行う。θd(k)を目標角度、e(k)=θd(k)-θ(k)を誤差信号、Δを一階差分オペレータとするエラーシステムは、下記する数式１０となる。
【００６４】
【数１０】
【００６５】
ただし、Ｉｍは、ｍ×ｍである。さらに、数式１０を下記のように表現する。
【００６６】
【数１１】
【００６７】
エラーシステムの最適制御入力をえるために、次のように評価関数を導入した。
【００６８】
【数１２】
【００６９】
Ｑは半正定対称行列（ｍ＋ｎ）×（ｍ＋ｎ）の重み関数、Ｈは正定数である。この数式１２を最小にするような最適制御入力は、下記する数式１３，１４，１５となる。
【００７０】
【数１３】
【００７１】
【数１４】
【００７２】
【数１５】
【００７３】
上記数式１５は、一般的にRiccati方程式と呼ばれるものである。尚、上記数式１３，１４，１５は、上記数式１２を変形することで導くことができる。これによって支点の加速度は、下記する数式１６に示されるものとなる。
【００７４】
【数１６】
【００７５】
尚、傾斜角θは圧力センサ３６，３７からの圧力により演算される。この数式１６によって求められた加速度に基づいて、上記数式３から目標速度が演算されるものである。
【００７６】
ステップ２０４にあっては、選択された操縦モードで得られた目標速度にしたがって、マイクロコンピュータ４２からモータドライバー４０に駆動用電力が出力され、モータ１５が回転される。モータ１５には、エンコーダ１９が取付られているから、実際の回転速度（実際の速度と均等）が得られ、この実際の回転速度がマイクロコンピュータ４２にフィードバックされる。
【００７７】
ステップ２０５にあっては、実際の速度と目標速度とが比較され、モータ１５への出力が制御され、個人移動具は目標速度に至る。
【００７８】
走行特性を評価するため、基本的な走行実験を行った。
制御モードとして、第２の足裏圧力中心（ＣｏＰ）を用いた制御モード（以下ＣｏＰ制御モードという）、第３の倒立振子制御則モードの二つで、搭乗者は体重５８ｋｇの成人男性である。実験は、平らな床上で行い、直線２０ｍを走行した。最初の１０ｍは最大速度まで加速し、次の１０ｍは減速して走行した。
【００７９】
実験の結果は、図７、図８、図９に示す。図７と図８は、各モードにおける速度のグラフ、図９は両モードにおける傾斜角を比較したグラフである。実験により、両制御モードとも個人移動用具（ＰＭＲ）１の速度が目標速度にほとんど誤差なく追従しており、最大５．８０ｋｍ／hに達していることが確認できた。
【００８０】
図９を見ると、ＣｏＰ制御モードより倒立振子制御則モードの方が傾斜角度の振り幅が小さいことがわかり、倒立振子制御則モードの方が搭乗者の姿勢が安定しているといえる。
【符号の説明】
【００８１】
１ 個人移動用具
２ 移動用具本体
３ 水平フレーム
４ 垂直フレーム
６，７ 車輪
８，９ 軸
１１ プーリ
１２ タイミングベルト
１４ 駆動機構
１５ モータ
１６ 減速機
１７ 取付プレート
１９ エンコーダ
２５，２６ 取付支柱
２７，２８ 弾性体
２９ シェル取付プレート
３０ シェル
３３，３４ プッシュロッド
３５，３６ 圧力センサ
４０ モータドライバー
４２ マイクロコンピュータ
４４ リモコン
１０１ 左足側部分の個人移動用具
１０４ 垂直フレーム
１０８，１０９，１１０，１１１ 車軸
１３０ シェル
１５０ スペーサ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車輪を転がらせ移動するもので、詳しくは両足に装着し、モータの回転力にて移動せしめる個人の移動用具に関する。
【背景技術】
【０００２】
人類は今までに、電車、車、バイク、自転車等の多くの移動用具を開発してきた。輸送用の移動手段、スポーツ用の移動手段に大別できる。そして、足に装着しての移動手段として、ローラースケート等がある。このローラースケートは、駆動力を持たずに、人の足の蹴力を利用して前進するものであるが、これでは、個人の移動手段として魅力的なものではない。
【０００３】
従来例として、靴等の履物に電動機（モータ）を装着した例として、特許文献１を示すことができる。この特許文献１には、履物の裏面にあって、かかと部に回転可能のホイールが設けられ、このホイールが電動モータにより、回転され、履物及びこれをはいている人が前進させられる装置で、その出願人は電動ヒーリング装置と称している。
【０００４】
この電動ヒーリング装置には、例では段落[００８０]に記載されているように、「図２２は、本発明に使用される電動ヒーリング装置１０００の斜視図である。電動ヒーリング装置は、バッテリー１０４を有するベルト１００２を具えており、配線されたスロットル１００６により、履物１０１０のヒール開口部に配置された電動車輪アセンブリの制御が行われる。スロットル１００６は通常、回路（例えば、速度コントローラ）を含んでおり、電動ホイールアセンブリ１００８に供給される電力量又はエネルギー量が制御される。この方法では、使用者は、履物１０１０の爪先部１０１２でウォーキングを行い、次に、例えば、身体の重心を履物１０１０のかかと部へ移動させて、電動ホイールアセンブリ１００８のホイールで受動的ローリングを行い、次に、電動ホイールアセンブリ１００８のモータに電力を供給して電気駆動によるローリングを行う。」とあり、さらに段落[００８１]には、「図２３は電動ヒーリング装置１０２０の側部斜視図であり、後部に、本発明の一態様に係る直流モータ１０２０が取り付けられている。モータ１０２２の回転シャフトは、ベルト１０２４及び履物１０２８のかかと部の側部ホイール１０２６に結合され、ホイール１０２６は電気駆動によって回転する。他の実施例においては、スプラグスイッチは、モータ１０２２の回転シャフトとベルト１０２４のカップリングに用いられ、モータが動いていないとき、ホイールは、モータ巻線の抵抗無しで、ホイールを自由に回転させることができる。電動ヒーリング装置１０２０はまた、スロットル（好ましくはワイヤレススロットル）と電源（例えば、バッテリー源）を具えている。」と記述されている。
【０００５】
また、特許文献２は、本体フレームに駆動機構を設け、この駆動機構を足の力で、支点を中心に揺動させ、その動きを回転力に換えて走行速度を加減速するものであり、それに加えて、補助動力として、モータ１５を組込んだものが開示されています。段落[００２５]には、「この、別の駆動源を併用する機構では、ポテンショメータ１３、コントローラー１４、サーボモーター１５、電源１６を図５，図６のような位置に、ビスで本体フレーム３と固定する。ポテンショメータ１３は、駆動プレート２に取付られたギヤ１７、ポテンショメータ１３に取付られたギヤ１８を介して、駆動プレート２の変移角を捉えることが出来るように本体フレーム３に取り付ける。また、サーボデータ１５からシャット６ｂへの動力の伝達にスプロケット７ａ，チェーン８ｃ，スプロケットと一体の一方向回転クラッチ９ｂ、を増設した形状である。スプロケット７ａはサーボモーター１５の回転軸に取り付け、スプロケットと一体の一方向回転クラッチ９ｂはシャット６ｂに一方向回転クラッチ９ａと同じようにして取り付け、動力の伝達はチェーン８ｃにより伝わるように組み立てる。ポテンショメータ１３は駆動プレート２の変移角をコントローラー１４に信号として伝え、コントローラー１４を経由してサーボモーター１５を制御する。」と記述されている。
【０００６】
特許文献３は、コントローラーを手で操作せずに体重移動のみでスピードの加減速や旋回を行い、路面の凹凸等に対処可能な電動式移動体および電動式移動体の制御方法を提供するものである。段落[００１２]には、「電動ローラースケート１は、ベースプレート２と、駆動輪３と、電動モータ４と、制御装置５と、前方の補助輪６と、後方の補助車７と、電源装置８との各部から構成されてる。」と記述され、また段落[００１４]には「駆動輪３は、ベースプレート２の地面側に設置される車輪状の部材であり、電動モータ４から供給される動力によって回転し、電動ローラースケータ１の加減速を行う。」と記述されている。
【０００７】
段落[００２１]には、「次に制御装置５の構成について、図３にブロック図を用いて説明する。制御装置５は、ドライバ１０と、ＣＰＵ１１と、レゾルバ１２と、電流電圧センサ１３と、通信回路１４と、運動検出装置１５との機能からなる。」と記述され、また段落[００２６]には「運動検出装置１５は、電動ローラースケート１および乗り手の身体の運動の検出装置である。例としては回転体に加わるコリオリ力を検出することで動作を検出する振動ジャイロ等の検知手段であり、回転体に加わる圧力の検出をすることなどで電動ローラースケート１の運動を検出して信号化し、検出結果をＣＰＵ１１に送る。また、乗り手の体にも振動ジャイロ等の動作検出手段を取り付けておき、乗り手の身体の運動を検出して信号化し、検出結果をＣＰＵ１１に送る。乗り手の身体への取り付け位置の例としては、乗り手の腰位置にベルトで装着するなどが考えられるが、その場合には有線または無線によってＣＰＵ１１との情報伝達が可能となっているとする。運動検出手段１５として振動ジャイロ等を用いる場合には、複数の振動ジャイロを用いることでＸ軸方向やＹ軸方向やＺ軸方向への運動を検出し、運動検出の精度を向上させるとする。」と記述されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２００８−５０８９５３
【特許文献２】特開２００３−２９９７６４
【特許文献３】特開２００４−２４６１４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１にあっては、前述のように、スロットル１００６により電動ホイールアセンブリ１００８に供給される電力量又はエネルギー量が制御されるとあり、手動にて制御される絵が図２２に示されています。これでは、手に制御スロットルを持たなければならず、走行の安定性の採り方（両手で行う）に不安定である。また履物をはく人の重心をかかと部へと移行させているので、常に重心上からも不都合があり、更に回転力を加えるために、重心が後方へ移り、転倒する危険をもはらんでいる。
【００１０】
また、特許文献２にあっては、足ふみ型の駆動機構に加えて補助動力源として、モータを用いるもので、駆動プレート２の変移角を検出して動力のアシストをしています。これでは、モータの回転力のみで動かすこともできず、また駆動プレート２の揺動は、走行の不安定から逃れない不都合を有していた。
【００１１】
さらに特許文献３にあっては、運動検出装置１４は振動ジャイロであり、乗り手の体の運動を検出して信号化し、ＣＰＵに送るが、乗り手の身体への取り付け位置の例としては、乗り手の腰位置にベルトで装着している。この乗り手の腰位置に振動ジャイロがあると、身体を積極的に動かす動作をしなければならず、加減速の操作が遅れて、俊敏性に欠ける欠点を有していた。
【００１２】
そこで、この発明は、両足に履いて利用するインラインスケートのような個人移動用具にあって、自走ができて、安全な走行を可能とすると共に、走行の制御を搭乗者の重心位置から俊敏に行うことが出来る個人移動用具を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明に係る個人移動用具は、人の足を固定する部位と、フレームと、車輪を配した移動用具本体と、前記移動用具本体の車輪を回転させ、前記フレームに固定のモータと、前記移動用具本体上に乗る搭乗者の重心位置を検出する重心位置検出手段と、この重心位置検出手段より得られる重心位置から目標速度を演算する制御手段と、この制御手段の出力から前記モータへの回転駆動電流を出力する駆動手段とより成ることを特徴としている（請求項１）。
【００１４】
この構成から、移動用具を履き、移動しようとして立つと、搭乗者の体重が移動用具に係り、搭乗者の重心位置が重心位置検出手段により得られ、この重心位置から目標速度が制御手段により演算され、この演算結果より駆動手段からの駆動出力によりモータが回転され、そして車輪が従動され、搭乗者は移動用具に乗ったまま前進される。
【００１５】
この個人移動用具は、搭乗者の重心位置から目標速度が得られているので、その重心位置を自らのコントロールにより、得られる速度を任意に且つ俊敏に変化させることができる。
【００１６】
前記重心位置検出手段は、少なくとも足の裏の前後２ヶ所の圧力を測定する圧力センサより成るものが好ましい（請求項２）。これにより、搭乗者の足に加えられる前後２ヶ所の圧力が圧力センサから得られ、目標速度の演算の入力として用いられる。
【００１７】
前後制御手段としては、マイクロコンピュータが用いられることが好ましい（請求項３）。このマイクロコンピュータは１６ビットのＣＰＵが搭載している。動作周期２５（ＭＨｚ）、５１２キロバイトＲＯＭと８キロバイトのＲＡＭを持っている。
【００１８】
前記モータとこれにより駆動される車輪との間に減速機を備えていることが好ましい（請求項４）。これにより、モータの回転速度を減速することができる。
【００１９】
また、速度は最高速度に制限を持たすことが好ましい（請求項５）。これにより、所定速度例えば６ｋｍ／h程に制限され、安全性が保持される。
【００２０】
前記目標速度は、重心位置が足裏の圧力中心の前後方向の値から得るようにすることが好ましい（請求項６）。これにより、足裏に人の正面方向を正にとった軸を考え、直立静止状態の圧力中心から±１５ｍｍの範囲を原点としている。これは人の重心は外力が無くとも常に揺れ動いているため、原点を広くとっている。
【００２１】
また、前記目標速度は、重心位置から得られる傾斜角度により加速度を演算して得るようにすることでも良い（請求項７）。これにより、加速度を演算条件とすることで、上体角（傾斜角度）の揺れ幅が小さくなり、搭乗者の姿勢を安定させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、この発明によれば、移動用具上の搭乗者の重心が重心位置検出手段から得られ、この重心位置から目標速度が制御手段より演算される。この演算結果により駆動手段からの駆動出力が制御され、モータが回転され、車輪が従動される。このため移動用具上の搭乗者は前進される。この前進の速度は、重心位置に決定されているので、搭乗者自ら重心位置を変化させることで任意にコントロールすることができる（請求項１）。
【００２３】
前記重心位置検出手段は、足の裏の少なくとも前後２ヶ所の圧力を測定する圧力センサより成ることから（請求項２）、加速、減速の指令信号を俊敏に得られ、しかも搭乗者の動き、加速時は前傾、減速時は後傾に合う重心位置検出手段を得ることができる。
【００２４】
前記目標速度は、重心位置が足裏の圧力中心の前方又は後方の値から得られ、目標速度になるように車輪を加減速し、フィードバッグ制御して、所望の目標速度に至らしめている（請求項６）。
【００２５】
前記目標速度は、重心位置が足裏の圧力中心より前方又は後方の値から人の上体角度（傾斜角度）を得て、その傾斜角度により加速度を演算し、この加速度を演算条件として用い、目標速度になるように車輪を加減速し、フィードバッグ制御して、所望の目標速度に至らしめている。この結果として、搭乗者の傾斜角度の振れ幅をより少なくでき、姿勢を安定させることができる（請求項７）。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明に係る個人移動用具の斜視図でマイクロコンピュータと電源が外された状態である。
【図２】同上の側面図である。
【図３】同上の駆動機構の部分の倒立した上体での斜視図である。
【図４】個人移動用具の左足側部分の側面図である。
【図５】この発明の制御フローを示すフローチャートである。
【図６】倒立振子に関する説明図である。
【図７】ＣｏＰ制御モードの目標速度とＰＭＲ速度との特性線図である。
【図８】倒立振子制御則モードの目標速度とＰＭＲ速度との特性線図である。
【図９】ＣｏＰ制御と倒立振子制御則モードの傾斜角との特性線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本願発明の実施例について図面により説明する。
【実施例１】
【００２８】
まず、この発明の実施例１を説明すると、個人移動用具としてインラインスケートに実施した例を用いて説明する。図１は、斜視図、図２は側面図で、インラインスケートから成る個人移動用具１の右足側部分が示され、水平フレーム３と垂直フレーム４とより成る移動用具本体（ボディ）２を持っており、前記水平フレーム３は、体重を支えるに十分なる金属製の薄い平板状で、細長の長方形をなしている。また前記垂直フレーム４は、金属製で、断面がコ字状に形成され、前記水平フレーム３の下面で、その短手方向中央で且つ長手方向に沿って垂直フレーム４がねじ止めされて固着されている。
【００２９】
垂直フレーム４は、図３に示すように、倒立させて斜め底面側に見たように、コ字状の２つの垂直面４ａ、４ｂと水平面４ｃを持ち、前方側に車輪６と後方側に車輪７を設けている。前記前方の車輪６及び後方の車輪７は、それぞれ、軸８、９にて支えられている。
【００３０】
前方の車輪６は、前記軸８に固定され、軸８からの入力される回転力にて従動して回転される。この軸８の右側には、プーリ１１が固着され、張設のタイミングベルト１２から回転力が伝達される。
【００３１】
また、前記水平フレーム３の下方の垂直フレーム４には、前方の車輪６を回転させるための駆動機構１４も取付られている。この駆動機構１４は、主にモータ１５と減速機１６等とより構成され、両者は取付プレート１７を介して一体化されている。前記モータ１５は、ブラシレスモータ、２４Ｖが採用され、具体的には、前記垂直フレーム４の垂直面４ａ、４ｂの中央付近で形成の穴１８ａ、１８ｂに挿入され、この垂直面４ａ、４ｂに対して直角方向に配置されている。なお、モータ１５の右側には、回転速度を検出するエンコーダ１９が設けられ、回転速度がフィードバック信号として下記するマイクロコンピュータ４２に戻されている。
【００３２】
前記減速機構１６は、遊星歯車を用いた減速装置で、立方体を成し、一方側（左側）に入力側プーリ２０、他方側（右側）に出力側プーリ２１がそれぞれ設けられ、前記垂直面４ａ、４ｂの中央付近で前記モータ１５よりも前方側で垂直面４ａ、４ｂに対して直角方向に配置され、ねじ止めにて垂直面４ａに固着されている。
【００３３】
この減速機１６は、前記入力側プーリ２０から前記モータ１５の回転力がベルト２２を介して伝えられ、減速機１６内で減速（減速比は２５）され、出力側プーリ２１に伝えられる。
【００３４】
前記移動用具本体２の水平フレーム３の上方には、前方及び後方の部位に２本の取付支柱２５、２６が固着立設され、その上方に弾性変形する弾性体２７、２８を介して前記水平フレーム３と同形状のシェル取付プレート２９が取付られている。そしてシェル取付プレート２９は加えられる荷重（体重）により上下方向にｍｍ伸縮が可能となっている。
【００３５】
シェル取付プレート２９には、足を固定するシェル３０が固着されている。それから、このシェル取付プレート２９の反シェル側（水平プレート側）に、プッシュロッド３３、３４が、それぞれ足の親指付け根部分と、かかとの末端部分とに対応する部位にそれぞれ水平フレーム３に向けて取付られ、その先端と前記水平フレーム３との間に、圧力センサ３６、３７が配されている。
【００３６】
この圧力センサ３６、３７は、圧力を抵抗値変化の電気信号として取り出すことのできるもので、その電気信号は、下記するマイクロコンピュータ４２に入力される。この両圧力センサ３６、３７の電気信号により、搭乗者の重心が足の前方、後方又は中心にあるか否かマイクロコンピュータ４２内で判定される。
【００３７】
４０は、モータ１５を駆動するための駆動手段となるモータドライバーで、前記水平フレーム３上に固着され、シェル取付プレート２９下に配置されている。このモータドライバー４０は下記するマイクロコンピュータ４２からの出力信号にて稼働され、モータ駆動に適する電圧に変換してモータ１５に供給される。
【００３８】
マイクロコンピュータ４２は、移動用具本体２の後方に取付られており、前記モータ１５の回転力即ち前方の車輪６の駆動に関与している。このマイクロコンピュータ４２は、１６ビットのものが搭載され、中央演算装置（ＣＰＵ）と、ラム（ＲＡＭ）ロム（ＲＯＭ）の記憶装置と、入出力ポート（１／０）等を有する公知構造のものである。
【００３９】
このコンピュータ４２には、前記圧力センサ３６、３７からの圧力信号が入力され、所定のプログラムにしたがって演算され、前記したモータドライバー４０に出力されている。このコンピュータ４２内の演算処理は、図５のフローチャートをもって下記に詳細に説明する。なお、４３は電源で、モータドライバー４０等へ電力を供給している。また４４は手動制御時のリモートコントローラで、駆動スイッチ４５を入れ、摘み４６を回転させることで、抵抗値変化信号を出力し、速度をコントロールしている。それから、マイクロコンピュータ４２には、図示しないが、別の電源が設けられている。
【００４０】
以上、この発明を個人移動用具１として、インラインスケートに実施した構成を説明しており、その右足側部分に駆動機構１４が設けられた例であり、左足側部分は図４に示されている通り、モータなどの駆動機構１４は一切持っていない。
【００４１】
この左足側部分の個人移動用具１０１には、移動用具本体１０２としてコ字状に形成の垂直フレーム１０４が設けられ、この垂直フレーム１０４に４個の車輪１０８、１０９、１１０、１１１が軸１０８、１０９、１１０、１１１を介して回転自在に取付られている。それから、垂直フレーム１０４の上方に足を固定するシェル１３０が設けられている。１５０はスペーサで、前記右足側部分が駆動機構１４の装着により縦方向に高くなっている構成に対応するため、設けられている。
【００４２】
次に、この発明に係る個人移動用具（ＰＭＲ）１の操縦例を図５を加えて説明する。図示しない搭乗者は始動スイッチをＯＮとすることで、前記マイクロコンピュータ４２を稼働状態にし、操縦モードステップ２０１に至る。操縦モードは、三つのパターンがあり、第１に手動によるリモコン制御、第２に足裏圧力中心（ＣｏＰ）を用いた制御、第３に倒立振子制御則を用いた制御があります。その操縦モードの選択は搭乗者にまかされているが、特定の操縦モードに固定することもできる。
【００４３】
操縦モードの選択が完了したら、信号入力のステップ２０２に至り、第１のリモコン制御が選択された場合には、リモコン操縦信号が、第２、第３の操縦モードが選択された場合には、前記圧力センサ３６、３７から足裏の圧力が電気信号として入力される。それから、前記モータ１５に取付られているエンコーダ１９からも回転速度がフィードバックされる。そして次のステップ２０３に至る。
【００４４】
ステップ２０３にあっては、個人移動用具１の目標とする速度が演算される。第１のリモコン制御が選択された場合に、ステップ２０３では、目標速度が、下記の数式１により演算される。
【００４５】
【数１】
【００４６】
この数式において、Ｖｄ目標速度、Ｋｃは速度ゲイン、Ｅはリモコンからの信号である。このように、第１のリモコン制御においては、リモコンからの入力が目標速度に正比例するようになっている。尚、目標速度が５．８０ｋｍ／ｈ以上に、または０ｋｍ／ｈにならないよう制限が設けられている。
【００４７】
また、第２の足裏圧力中心（ＣｏＰ）制御が選択された場合には、ステップ２０３においては、目標速度が下記の数式２により求められる。
【００４８】
【数２】
【００４９】
上記数式において、Ｋｖは速度ゲイン、ＣｏＰは右足裏の圧力中心（Center of Pressure）の略である。このＣｏＰの座標系は次のようにとる。右足裏に人の正面方向を正にとった軸を考え、直立状態の圧力中心から±１５（ｍｍ）範囲内を原点とする。これは、人の重心は外力が無くとも常に揺れ動いているため、原点を広くとるようにしたものである。さらに、目標速度が５．８０ｋｍ／ｈ以上に、または０ｋｍ／ｈにならないよう制限がかけられている。
【００５０】
第３の倒立振子制御則モードが選択された場合に、ステップ２０３において目標速度が、下記の数式３により求められる。
【００５１】
【数３】
【００５２】
上記数式において、目標速度の決定因子として加速度が用いられる。これは、人により急な加速・減速により、バランスを崩す人が見られたため、倒立振子のモデリングを行い、安定した走行及び操作性の向上を図ったものである。尚、図６に質量が０の台車状にある倒立振子のモデルが示される。ここで、図中のｘは支点中心、δはＸ軸方向の支点中心からＣｏＰまでの距離、θは振子の傾斜角、ｌ(エル)は、振子の支点から重心までの長さを表す。尚、支点中心は直立姿勢におけるＣｏＰとし、Ｘ軸は進行方向、Ｚ軸は鉛直方向とするものである。このモデルにおける倒立振子の運動方程式は、次のようになる。
【００５３】
【数４】
【００５４】
上記数式４をθ＝０回りでcosθ≒１，sinθ≒θ（＝δ／ｌ）と線形近似し、Ｊ＝ｍｌ２／３を与えると、次のようになる。
【００５５】
【数５】
【００５６】
支点中心の加速度を入力とみなし、支点を加速させ振子の姿勢回復を行う。本モデルの連続時間系の状態方程式は次のようになる。
【００５７】
【数６】
【００５８】
ただし、Ｘ：状態変数（ｎ×１）、Ａｃ：ｎ×ｎ、Ｂｃ：ｎ×ｒ、Ｃ：ｍ×ｎ、ｎ＝２、ｍ＝１、ｒ＝１である。マイコンによるデジタル制御を行うために、数式６を離散化させ、次の式を得る。
【００５９】
【数７】
【００６０】
ただし、ｋはｋ番目の物理量、係数Ａ，Ｂは、下記する数式８，数式９である。
【００６１】
【数８】
【００６２】
【数９】
【００６３】
Ｔはサンプリング周期である。さらに、数式７に最適ｌ型ディジタルサーボ系を適用し、安定化制御を行う。θd(k)を目標角度、e(k)=θd(k)-θ(k)を誤差信号、Δを一階差分オペレータとするエラーシステムは、下記する数式１０となる。
【００６４】
【数１０】
【００６５】
ただし、Ｉｍは、ｍ×ｍである。さらに、数式１０を下記のように表現する。
【００６６】
【数１１】
【００６７】
エラーシステムの最適制御入力をえるために、次のように評価関数を導入した。
【００６８】
【数１２】
【００６９】
Ｑは半正定対称行列（ｍ＋ｎ）×（ｍ＋ｎ）の重み関数、Ｈは正定数である。この数式１２を最小にするような最適制御入力は、下記する数式１３，１４，１５となる。
【００７０】
【数１３】
【００７１】
【数１４】
【００７２】
【数１５】
【００７３】
上記数式１５は、一般的にRiccati方程式と呼ばれるものである。尚、上記数式１３，１４，１５は、上記数式１２を変形することで導くことができる。これによって支点の加速度は、下記する数式１６に示されるものとなる。
【００７４】
【数１６】
【００７５】
尚、傾斜角θは圧力センサ３６，３７からの圧力により演算される。この数式１６によって求められた加速度に基づいて、上記数式３から目標速度が演算されるものである。
【００７６】
ステップ２０４にあっては、選択された操縦モードで得られた目標速度にしたがって、マイクロコンピュータ４２からモータドライバー４０に駆動用電力が出力され、モータ１５が回転される。モータ１５には、エンコーダ１９が取付られているから、実際の回転速度（実際の速度と均等）が得られ、この実際の回転速度がマイクロコンピュータ４２にフィードバックされる。
【００７７】
ステップ２０５にあっては、実際の速度と目標速度とが比較され、モータ１５への出力が制御され、個人移動具は目標速度に至る。
【００７８】
走行特性を評価するため、基本的な走行実験を行った。
制御モードとして、第２の足裏圧力中心（ＣｏＰ）を用いた制御モード（以下ＣｏＰ制御モードという）、第３の倒立振子制御則モードの二つで、搭乗者は体重５８ｋｇの成人男性である。実験は、平らな床上で行い、直線２０ｍを走行した。最初の１０ｍは最大速度まで加速し、次の１０ｍは減速して走行した。
【００７９】
実験の結果は、図７、図８、図９に示す。図７と図８は、各モードにおける速度のグラフ、図９は両モードにおける傾斜角を比較したグラフである。実験により、両制御モードとも個人移動用具（ＰＭＲ）１の速度が目標速度にほとんど誤差なく追従しており、最大５．８０ｋｍ／hに達していることが確認できた。
【００８０】
図９を見ると、ＣｏＰ制御モードより倒立振子制御則モードの方が傾斜角度の振り幅が小さいことがわかり、倒立振子制御則モードの方が搭乗者の姿勢が安定しているといえる。
【符号の説明】
【００８１】
１ 個人移動用具
２ 移動用具本体
３ 水平フレーム
４ 垂直フレーム
６，７ 車輪
８，９ 軸
１１ プーリ
１２ タイミングベルト
１４ 駆動機構
１５ モータ
１６ 減速機
１７ 取付プレート
１９ エンコーダ
２５，２６ 取付支柱
２７，２８ 弾性体
２９ シェル取付プレート
３０ シェル
３３，３４ プッシュロッド
３５，３６ 圧力センサ
４０ モータドライバー
４２ マイクロコンピュータ
４４ リモコン
１０１ 左足側部分の個人移動用具
１０４ 垂直フレーム
１０８，１０９，１１０，１１１ 車軸
１３０ シェル
１５０ スペーサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人の足を固定する部位と、フレームと、車輪を配した移動用具本体と、
前記移動用具本体の車輪を回転させ、前記フレームに固定のモータと、
前記移動用具本体上に乗る人の重心位置を検出する重心位置検出手段と、
この重心位置検出手段より得られる重心位置から目標速度を演算する制御手段と、
この制御手段の出力から前記モータへの回転駆動電流を出力する駆動手段とより成ることを特徴とする個人移動用具。
【請求項２】
前記重心位置検出手段は、足の裏の少なくとも前後２ヶ所の圧力を測定する圧力センサーより成ることを特徴とする請求項１記載の個人移動用具。
【請求項３】
前記制御手段は、マイクロコンピュータより成ることを特徴とする請求項１記載の個人移動用具。
【請求項４】
前記モータとこれにより駆動される車輪との間に減速機を備えたことを特徴とする請求項１記載の個人移動用具。
【請求項５】
最高速度の制限を持つことを特徴とする請求項１，２又は３記載の個人移動用具。
【請求項６】
前記目標速度は、重心位置が足裏の圧力中心の前後方向の値から得るようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の個人移動用具。
【請求項７】
前記目標速度は、重心位置から得られる傾斜角度より加速度を演算して得るようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の個人移動用具。
【請求項１】
人の足を固定する部位と、フレームと、車輪を配した移動用具本体と、
前記移動用具本体の車輪を回転させ、前記フレームに固定のモータと、
前記移動用具本体上に乗る人の重心位置を検出する重心位置検出手段と、
この重心位置検出手段より得られる重心位置から目標速度を演算する制御手段と、
この制御手段の出力から前記モータへの回転駆動電流を出力する駆動手段とより成ることを特徴とする個人移動用具。
【請求項２】
前記重心位置検出手段は、足の裏の少なくとも前後２ヶ所の圧力を測定する圧力センサーより成ることを特徴とする請求項１記載の個人移動用具。
【請求項３】
前記制御手段は、マイクロコンピュータより成ることを特徴とする請求項１記載の個人移動用具。
【請求項４】
前記モータとこれにより駆動される車輪との間に減速機を備えたことを特徴とする請求項１記載の個人移動用具。
【請求項５】
最高速度の制限を持つことを特徴とする請求項１，２又は３記載の個人移動用具。
【請求項６】
前記目標速度は、重心位置が足裏の圧力中心の前後方向の値から得るようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の個人移動用具。
【請求項７】
前記目標速度は、重心位置から得られる傾斜角度より加速度を演算して得るようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の個人移動用具。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２２７４９１（Ｐ２０１０−２２７４９１Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８１３５４（Ｐ２００９−８１３５４）
【出願日】平成２１年３月３０日（２００９．３．３０）
【出願人】（５９２２１８３００）学校法人神奈川大学 (243)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３０日（２００９．３．３０）
【出願人】（５９２２１８３００）学校法人神奈川大学 (243)
【Ｆターム（参考）】
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