倒立型移動体及び移動体の倒立制御方法
【課題】安定して倒立走行することができる倒立型移動体及び移動体の倒立制御方法を提供すること。
【解決手段】倒立型移動体１は、２以上の車輪を有するモータ駆動部２と、モータ駆動部２の状態を検出するセンサ部３と、センサ部３の検出結果に基づき倒立開始の許否を決定するロボット統括部４と、倒立走行を行うためにモータ駆動部２を制御する倒立制御演算部６とを有する。ロボット統括部４、移動体の重心位置が許容範囲内にある場合にのみ倒立開始を許可する。
【解決手段】倒立型移動体１は、２以上の車輪を有するモータ駆動部２と、モータ駆動部２の状態を検出するセンサ部３と、センサ部３の検出結果に基づき倒立開始の許否を決定するロボット統括部４と、倒立走行を行うためにモータ駆動部２を制御する倒立制御演算部６とを有する。ロボット統括部４、移動体の重心位置が許容範囲内にある場合にのみ倒立開始を許可する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、倒立動作を行う搭乗型の二輪倒立型移動体及び移動体の倒立制御方法に関し、特に、搭乗時の安定性を図った倒立型移動体及び移動体の倒立制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９は、従来の倒立二輪型ロボットを示す模式図である。倒立二輪型ロボット１０１は、車体１１１と、車体１１１に取り付けられ、回転することで車体を持ち上げるスイングアーム１１２とを有する。スイングアーム１１２はスイングアーム軸１１３により車体１１１と結合し、床面に並行な車体１１１をスライド可能に構成されている。スイングアーム１１２のスイングアーム軸１１３とは反対側には駆動軸１１４が設けられている。そして、駆動軸１１４を中心に駆動輪１１５が回転駆動することで、倒立二輪型ロボット１０１を移動する。一の駆動輪１１５を補助する２つの補助輪（ストッパ）１１６が車体１１１に設けられている。
【０００３】
従来の倒立二輪型ロボットの立ち上がり動作としては、先ず、前後の補助輪が接地した状態（図９（ａ））からスイングアーム軸１１３を駆動し、車体１１１を持ち上げ前後の補助輪１１６を地面から離す（図９（ｂ））。このとき、ほぼ同時に前後の補助輪１１６を離地させる。次に、スイングアーム軸１１３を引き続き駆動しながら車体１１１を上に上げる。これと同時に駆動軸１１４を引き続き駆動しながら車体１１１を上げる。同時に駆動輪１１５での倒立制御を開始する（図９（ｃ））。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２０５８３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、搭乗型の倒立二輪移動体は、搭乗者の重心位置によって前倒したり、後倒したりする。しかしながら、メカの部位やカバー又は乗り心地の問題（ユーザが感じる恐怖心など）、加減速の大きさによって、傾けることができる量が限られてくる。そのため、人の重心位置のずれを何らかの形で制限する、又は固定するなどする必要がある。特に、搭乗型二輪移動体は、座り乗りタイプであると、搭乗者の乗り方次第で重心位置が大きく異なり、いきなり二輪倒立を行うと不安定な状態になって、転倒や暴走を引き起こす可能性があるという問題点がある。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、安定して倒立走行することができる倒立型移動体及び移動体の倒立制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にかかる倒立型移動体は、２以上の車輪を有する駆動手段と、その駆動手段の状態を検出するセンサ手段と、そのセンサ手段の検出結果に基づき倒立開始の許否を決定する拒否決定手段と、倒立走行を行うために駆動手段を制御する倒立制御手段とを有する。ここで、拒否決定手段は、移動体の重心位置が許容範囲内にある場合にのみ倒立開始を許可する。
【０００８】
本名発明においては、移動体の重心位置が許容範囲内にある場合のみ、倒立を開始し、重心位置が許容範囲を超えている場合は倒立を中止することで、二輪倒立が不安定な状態になって転倒や暴走するといったことを回避することができる。
【０００９】
また、この拒否決定手段は、重心が移動体の軸上にくるよう駆動手段を動かした際に、その稼働範囲が許容範囲内である場合、重心位置が許容範囲内にあると判定することができる。重心位置の判定は、駆動手段の移動範囲で判定することができる。
【００１０】
さらに、駆動手段は、２以上の車輪と、前側に設けられ搭乗者の足を乗せるためのフットステップと、後側に設けられ当該フットステップと共に移動体を支える後方バーとを有することができる。接地状態のときは、このフットステップと後方バー（後方支持体）により、移動体を静止することができる。
【００１１】
さらにまた、拒否決定手段は、フットステップ又は後方バーが地面から浮いた場合に前記倒立開始を許可することができる。フットステップ又は後方バーを動かし、移動体の重心位置が移動体の軸上に合わせると、フットステップ又は後方バーが地面から浮き上がるため、重心が軸上にきたことを認識することができる。これにより、倒立動作を開始することができる。
【００１２】
また、後方バー及び／又はフットステップに所定の重さの負荷を加えることができ、負荷を加えることにより、車軸より前方の重心許容範囲を限定したり、車軸より後方の重心許容範囲を限定したりすることができる。
【００１３】
本発明にかかる移動体の倒立制御方法は、２以上の車輪を含む駆動手段と、この駆動手段の状態を検出するセンサ手段と、倒立走行させるためにこの駆動手段を制御する倒立制御手段とを有する移動体の倒立制御方法である。先ず、センサにより駆動手段の状態を検出し、次に、センサの検出結果に基づき倒立開始の拒否を決定する。ここで、倒立開始の拒否を決定する際は、移動体の重心位置が許容範囲内にある場合にのみ倒立開始を許可する決定をする。
【００１４】
本発明においては、倒立開始の拒否を決定する際は、移動体の重心位置が移動体の軸上からどれだけずれているかに応じて決定する。このため、重心が大きくずれている場合は、倒立制御を開始しないので、暴走などを阻止することができる。
【００１５】
また、拒否決定工程では、駆動手段の稼働範囲が許容範囲内である場合に、重心位置が許容範囲内にあると判定することができる。駆動手段を大きく動かしても重心位置が中心に来ない場合は、倒立を開始させないものとすることができる。
【００１６】
さらに、駆動手段は、２以上の車輪の他に、前側に設けられ搭乗者の足を乗せるためのフットステップと、後側に設けられ当該フットステップと共に移動体を支える後方バーとを有する。そして、センサでの検出の際には、そのフットステップ及び／又は後方バーの稼働範囲を検出することで、重心位置の判定を行うことができる。
【００１７】
さらにまた、拒否決定工程では、先ず、フットステップ又は後方バーを所定の指令角度動かし、次に、移動体が前傾した場合には前記フットステップを動かし姿勢を後傾側に動かす。一方、移動体が後傾した場合には後方バーを動かし姿勢を前傾側に動かす。そして、移動体の重心位置が軸上にあると、フットステップ又は後方バーが地面から浮くため、倒立開始を許可することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、安定して倒立走行することができる倒立型移動体及び移動体の倒立制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態にかかる倒立型移動体を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる倒立型移動体の倒立制御方法を示すフローチャートである。
【図３】（ａ）乃至（ｃ）は、各制御工程における倒立型移動体を示す図であり、重心が車軸上より前であって、許容範囲内にある場合を示す図である。
【図４】（ａ）乃至（ｃ）は、各制御工程における倒立型移動体を示す図であり、重心が車軸上より前であって、許容範囲外にある場合を示す図である。
【図５】（ａ）乃至（ｃ）は、各制御工程における倒立型移動体を示す図であり、重心が車軸上より後ろであって、許容範囲内にある場合を示す図である。
【図６】（ａ）乃至（ｃ）は、各制御工程における倒立型移動体を示す図であり、重心が車軸上より後ろであって、許容範囲外にある場合を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態の変形例を示す図であって、重心が許容範囲内にある場合を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態の変形例を示す図であって、重心が許容範囲外にある場合を示す図である。
【図９】従来の倒立二輪型ロボットを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、本発明を、搭乗型の倒立二輪移動体に適用したものである。
【００２１】
図１は、本実施の形態にかかる倒立型移動体を示すブロック図である。図１に示すように、倒立型移動体１は、２以上の車輪を有する駆動手段としてのモータ駆動部２と、モータ駆動部の状態を検出するセンサ部３と、センサ部３の検出結果に基づき倒立開始の許否を決定する拒否決定手段としてのロボット統括部４と、倒立走行を行うためにモータ駆動部を制御する倒立制御手段としての倒立制御演算部６とを有する。ロボット統括部４は、移動体の重心位置が許容範囲内にある場合にのみ倒立開始を許可し、これにより倒立制御演算部６がモータ駆動部２の倒立制御を開始する。さらに、モータ駆動部２は、フットステップ及び後方バーを含むが、これを制御するステップ・後方バー制御演算部５を有する。
【００２２】
ここで、ロボット統括部４は、モータ駆動部２の稼働範囲が許容範囲内である場合に、重心位置が許容範囲内にあると判定する。モータ駆動部２は、２つの車輪と、前側に設けられ搭乗者の足を乗せるためのフットステップと、後側に設けられ当該フットステップと共に移動体を支える後方バーとを有する。ロボット統括部４は、フットステップ又は後方バーが地面から浮いた場合に倒立開始を許可する。
【００２３】
図２は、本実施の形態にかかる倒立型移動体の倒立制御方法を示すフローチャートである。また、図３（ａ）乃至（ｃ）、図４（ａ）乃至（ｃ）、図５（ａ）乃至（ｃ）、図６（ａ）乃至（ｃ）は、各制御工程における倒立型移動体を示す図である。図３、図４は、重心が車軸より前側にある場合を示し、図３は、重心が許容範囲内にある場合、図４は、重心が許容範囲外にある場合を示す。また、図５、図６は、重心が車軸より後側にある場合を示し、を示し、図５は、重心が許容範囲内にある場合、図６は、重心が許容範囲外にある場合を示す。
【００２４】
図３（ａ）に示すように、倒立型移動体１は、ユーザが座って乗るタイプのロボットであり、本体部２１に座席部分が設けられている。両サイドには、車輪２２が設けられている。また、前側には、ユーザの足を載せるためのフットステップ２３が形成されている。そして、その反対側の後ろ側には、倒立型移動体が接地状態にあるとき、フットステップ２３と共に本体部２１を支える後方バー２４が設けられている。２つの車輪２２、フットステップ２３及び後方バー２４は、モータ等で駆動されるもので、これら全体でモータ駆動部２を構成する。
【００２５】
先ず、図２に示すように、ユーザが接地状態の倒立型移動体１に搭乗する(ステップＳ１)。次に、重心が車軸上の前後のどちらにあるかを知るために、ステップ・後方バー制御演算部５は、フットステップ２３又は後方バー２４をある指令角度（決められた角度）動かす(ステップＳ２、図３（ａ）、図４（ａ）参照)。ロボット統括部４は、センサ部３で計測される傾斜角速度が正であると判断した場合、すなわち、前に倒れたとき重心が車軸上より前にあると判断したら（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、ステップ・後方バー制御演算部５は、姿勢を後傾側に動かす。つまり、フットステップ２３を、上体を後ろにそらす方向に動かして、重心２５を車軸上に動かす（ステップＳ４）。
【００２６】
このとき、ロボット統括部４は、フットステップ２３が地面から浮いているか確認する（ステップＳ５、図３（ｂ）、図４（ｂ）参照）。ここで、フットステップ２３が浮いておらず、しかし、フットステップ２３の稼働範囲が、予め設定されている稼働範囲内であれば（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、ステップＳ４の処理に戻り、再びフットステップ２３を動かして姿勢を後傾側に倒し、重心２５を移動する。また、フットステップ２３がそれでも浮かず、かつフットステップ２３の稼働範囲が上記定められた稼働範囲を超えた場合は、フットステップ２３を初期位置に戻し、倒立動作を中止する（図４（ｃ）参照）。
【００２７】
一方、フットステップ２３が地面から浮いたら（ステップＳ５：Ｙｅｓ、図３（ｃ）参照）、ロボット統括部４は、倒立制御を開始するよう倒立制御演算部６に指示する。倒立制御演算部６は、モータ駆動部２に対し、倒立動作するよう制御値を出力し、各部位は、ある指令角度に移動する（ステップＳ１１）。
【００２８】
次に、ステップＳ３において、傾斜角度が正でなかった場合について説明する。このように、前に倒れたかったとき（図５（ａ）、図６（ａ）参照）は、重心が車軸上より後ろにあると判断することができる。この場合は、後方バー２４を動かして姿勢を前傾側に倒す（ステップＳ７）。つまり、上体を前に倒す方向に後方バー２４を動かして、重心２５を車軸上に動かす。そして、ロボット統括部４は、後方バー２４が地面から浮いているか否かを判断する（ステップＳ８、図５（ｂ）、図６（ｂ）参照）。もし、後方バー２４が地面から浮いていなくても、後方バー２４が予め設定されている稼働範囲内で動いている場合は、再度ステップＳ７に戻り、後方バー２４を再び移動させて重心位置を変更する。後方バー２４を移動させても後方バー２４が地面から浮かず、かつ後方バー２４の動いた範囲が上記稼働範囲を超えている場合は、倒立開始せず、初期位置に戻る（ステップＳ１２、図６（ｃ）参照）。
【００２９】
一方、ステップＳ８において、後方バー２４が地面から浮いている場合（ステップＳ８：Ｙｅｓ、図５（ｂ）参照）、倒立を開始する。すなわち、倒立制御演算部６は、モータ駆動部２が倒立動作を行うよう、制御値をモータ駆動部２に出力し、モータ駆動部２を指令課角度（倒立姿勢）へ移動させる。
【００３０】
ここで、モータ駆動部２には、ステップ・後方バー駆動部と、車輪駆動部とが含まれる。上記の動作は、ステップ・後方バー駆動部の動作である。車輪駆動部は、接地状態から倒立を開始するか否かを決定するまでの間、ある姿勢のまま停止しているため、その間の駆動トルクは、一定値となっている（ステップＳ１３）。そして、車輪駆動部は、フットステップ２３又は後方バー２４が地面から浮いて倒立開始となったときに、倒立、走行するための２輪制御値を２輪に出力するようにする。
【００３１】
本実施の形態においては、接地状態の段階から、フットステップ２３又は後方バー２４を移動させ、重心２５の位置が所定の範囲内であるときにのみ、すなわち、フットステップ２３又は後方バー２４が地面から浮く場合にのみ倒立を行う。そして、重心２５の位置が所定の範囲を外れるとき、すなわち、フットステップ２３又は後方バー２４が地面から浮かない場合には、暴走するなどの危険があるとして、倒立動作を行わないものである。このことにより、安全に倒立動作を行うことができる。
【００３２】
次に、本実施の形態の変形例について説明する。図７及び図８は、本実施の形態の変形例を示す図であって、図７は重心が車軸上から許容範囲内に位置する場合、図８は重心が車軸上から許容範囲外に位置する場合を示している。本変形例においては、後方バー２４におもり２６を設けている。これにより、車軸より前方の重心許容範囲を大きくとることができる。よって、より前方の稼働範囲を大きくとっても、重心位置を車軸上に維持させることができる。また、本例においては、おもり２６は、後方バー２４にとりつけるものとして説明したが、同様のおもりをフットステップ２３に取りつけるようにしてもよい。そうすることにより、車軸より後方の重心許容範囲を大きくとることができ、後方の稼働範囲を大きくとることができる。
【００３３】
なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
【００３４】
例えば、上述の実施の形態では、ハードウェアの構成として説明したが、これに限定されるものではなく、任意の処理を、ＣＰＵ（Central Processing Unit）にコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。この場合、コンピュータプログラムは、記録媒体に記録して提供することも可能であり、また、インターネットその他の伝送媒体を介して伝送することにより提供することも可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１ 倒立型移動体
２ モータ駆動部
３ センサ部
４ ロボット統括部
５ ステップ・後方バー制御演算部
６ 倒立制御演算部
２１ 本体部
２２ 車輪
２３ フットステップ
２４ 後方バー
２５ 重心
２６ おもり
１０１ 倒立二輪型ロボット
１１１ 車体
１１２ スイングアーム
１１３ スイングアーム軸
１１４ 駆動軸
１１５ 駆動輪
１１６ 補助輪
【技術分野】
【０００１】
本発明は、倒立動作を行う搭乗型の二輪倒立型移動体及び移動体の倒立制御方法に関し、特に、搭乗時の安定性を図った倒立型移動体及び移動体の倒立制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９は、従来の倒立二輪型ロボットを示す模式図である。倒立二輪型ロボット１０１は、車体１１１と、車体１１１に取り付けられ、回転することで車体を持ち上げるスイングアーム１１２とを有する。スイングアーム１１２はスイングアーム軸１１３により車体１１１と結合し、床面に並行な車体１１１をスライド可能に構成されている。スイングアーム１１２のスイングアーム軸１１３とは反対側には駆動軸１１４が設けられている。そして、駆動軸１１４を中心に駆動輪１１５が回転駆動することで、倒立二輪型ロボット１０１を移動する。一の駆動輪１１５を補助する２つの補助輪（ストッパ）１１６が車体１１１に設けられている。
【０００３】
従来の倒立二輪型ロボットの立ち上がり動作としては、先ず、前後の補助輪が接地した状態（図９（ａ））からスイングアーム軸１１３を駆動し、車体１１１を持ち上げ前後の補助輪１１６を地面から離す（図９（ｂ））。このとき、ほぼ同時に前後の補助輪１１６を離地させる。次に、スイングアーム軸１１３を引き続き駆動しながら車体１１１を上に上げる。これと同時に駆動軸１１４を引き続き駆動しながら車体１１１を上げる。同時に駆動輪１１５での倒立制御を開始する（図９（ｃ））。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２０５８３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、搭乗型の倒立二輪移動体は、搭乗者の重心位置によって前倒したり、後倒したりする。しかしながら、メカの部位やカバー又は乗り心地の問題（ユーザが感じる恐怖心など）、加減速の大きさによって、傾けることができる量が限られてくる。そのため、人の重心位置のずれを何らかの形で制限する、又は固定するなどする必要がある。特に、搭乗型二輪移動体は、座り乗りタイプであると、搭乗者の乗り方次第で重心位置が大きく異なり、いきなり二輪倒立を行うと不安定な状態になって、転倒や暴走を引き起こす可能性があるという問題点がある。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、安定して倒立走行することができる倒立型移動体及び移動体の倒立制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にかかる倒立型移動体は、２以上の車輪を有する駆動手段と、その駆動手段の状態を検出するセンサ手段と、そのセンサ手段の検出結果に基づき倒立開始の許否を決定する拒否決定手段と、倒立走行を行うために駆動手段を制御する倒立制御手段とを有する。ここで、拒否決定手段は、移動体の重心位置が許容範囲内にある場合にのみ倒立開始を許可する。
【０００８】
本名発明においては、移動体の重心位置が許容範囲内にある場合のみ、倒立を開始し、重心位置が許容範囲を超えている場合は倒立を中止することで、二輪倒立が不安定な状態になって転倒や暴走するといったことを回避することができる。
【０００９】
また、この拒否決定手段は、重心が移動体の軸上にくるよう駆動手段を動かした際に、その稼働範囲が許容範囲内である場合、重心位置が許容範囲内にあると判定することができる。重心位置の判定は、駆動手段の移動範囲で判定することができる。
【００１０】
さらに、駆動手段は、２以上の車輪と、前側に設けられ搭乗者の足を乗せるためのフットステップと、後側に設けられ当該フットステップと共に移動体を支える後方バーとを有することができる。接地状態のときは、このフットステップと後方バー（後方支持体）により、移動体を静止することができる。
【００１１】
さらにまた、拒否決定手段は、フットステップ又は後方バーが地面から浮いた場合に前記倒立開始を許可することができる。フットステップ又は後方バーを動かし、移動体の重心位置が移動体の軸上に合わせると、フットステップ又は後方バーが地面から浮き上がるため、重心が軸上にきたことを認識することができる。これにより、倒立動作を開始することができる。
【００１２】
また、後方バー及び／又はフットステップに所定の重さの負荷を加えることができ、負荷を加えることにより、車軸より前方の重心許容範囲を限定したり、車軸より後方の重心許容範囲を限定したりすることができる。
【００１３】
本発明にかかる移動体の倒立制御方法は、２以上の車輪を含む駆動手段と、この駆動手段の状態を検出するセンサ手段と、倒立走行させるためにこの駆動手段を制御する倒立制御手段とを有する移動体の倒立制御方法である。先ず、センサにより駆動手段の状態を検出し、次に、センサの検出結果に基づき倒立開始の拒否を決定する。ここで、倒立開始の拒否を決定する際は、移動体の重心位置が許容範囲内にある場合にのみ倒立開始を許可する決定をする。
【００１４】
本発明においては、倒立開始の拒否を決定する際は、移動体の重心位置が移動体の軸上からどれだけずれているかに応じて決定する。このため、重心が大きくずれている場合は、倒立制御を開始しないので、暴走などを阻止することができる。
【００１５】
また、拒否決定工程では、駆動手段の稼働範囲が許容範囲内である場合に、重心位置が許容範囲内にあると判定することができる。駆動手段を大きく動かしても重心位置が中心に来ない場合は、倒立を開始させないものとすることができる。
【００１６】
さらに、駆動手段は、２以上の車輪の他に、前側に設けられ搭乗者の足を乗せるためのフットステップと、後側に設けられ当該フットステップと共に移動体を支える後方バーとを有する。そして、センサでの検出の際には、そのフットステップ及び／又は後方バーの稼働範囲を検出することで、重心位置の判定を行うことができる。
【００１７】
さらにまた、拒否決定工程では、先ず、フットステップ又は後方バーを所定の指令角度動かし、次に、移動体が前傾した場合には前記フットステップを動かし姿勢を後傾側に動かす。一方、移動体が後傾した場合には後方バーを動かし姿勢を前傾側に動かす。そして、移動体の重心位置が軸上にあると、フットステップ又は後方バーが地面から浮くため、倒立開始を許可することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、安定して倒立走行することができる倒立型移動体及び移動体の倒立制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態にかかる倒立型移動体を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる倒立型移動体の倒立制御方法を示すフローチャートである。
【図３】（ａ）乃至（ｃ）は、各制御工程における倒立型移動体を示す図であり、重心が車軸上より前であって、許容範囲内にある場合を示す図である。
【図４】（ａ）乃至（ｃ）は、各制御工程における倒立型移動体を示す図であり、重心が車軸上より前であって、許容範囲外にある場合を示す図である。
【図５】（ａ）乃至（ｃ）は、各制御工程における倒立型移動体を示す図であり、重心が車軸上より後ろであって、許容範囲内にある場合を示す図である。
【図６】（ａ）乃至（ｃ）は、各制御工程における倒立型移動体を示す図であり、重心が車軸上より後ろであって、許容範囲外にある場合を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態の変形例を示す図であって、重心が許容範囲内にある場合を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態の変形例を示す図であって、重心が許容範囲外にある場合を示す図である。
【図９】従来の倒立二輪型ロボットを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、本発明を、搭乗型の倒立二輪移動体に適用したものである。
【００２１】
図１は、本実施の形態にかかる倒立型移動体を示すブロック図である。図１に示すように、倒立型移動体１は、２以上の車輪を有する駆動手段としてのモータ駆動部２と、モータ駆動部の状態を検出するセンサ部３と、センサ部３の検出結果に基づき倒立開始の許否を決定する拒否決定手段としてのロボット統括部４と、倒立走行を行うためにモータ駆動部を制御する倒立制御手段としての倒立制御演算部６とを有する。ロボット統括部４は、移動体の重心位置が許容範囲内にある場合にのみ倒立開始を許可し、これにより倒立制御演算部６がモータ駆動部２の倒立制御を開始する。さらに、モータ駆動部２は、フットステップ及び後方バーを含むが、これを制御するステップ・後方バー制御演算部５を有する。
【００２２】
ここで、ロボット統括部４は、モータ駆動部２の稼働範囲が許容範囲内である場合に、重心位置が許容範囲内にあると判定する。モータ駆動部２は、２つの車輪と、前側に設けられ搭乗者の足を乗せるためのフットステップと、後側に設けられ当該フットステップと共に移動体を支える後方バーとを有する。ロボット統括部４は、フットステップ又は後方バーが地面から浮いた場合に倒立開始を許可する。
【００２３】
図２は、本実施の形態にかかる倒立型移動体の倒立制御方法を示すフローチャートである。また、図３（ａ）乃至（ｃ）、図４（ａ）乃至（ｃ）、図５（ａ）乃至（ｃ）、図６（ａ）乃至（ｃ）は、各制御工程における倒立型移動体を示す図である。図３、図４は、重心が車軸より前側にある場合を示し、図３は、重心が許容範囲内にある場合、図４は、重心が許容範囲外にある場合を示す。また、図５、図６は、重心が車軸より後側にある場合を示し、を示し、図５は、重心が許容範囲内にある場合、図６は、重心が許容範囲外にある場合を示す。
【００２４】
図３（ａ）に示すように、倒立型移動体１は、ユーザが座って乗るタイプのロボットであり、本体部２１に座席部分が設けられている。両サイドには、車輪２２が設けられている。また、前側には、ユーザの足を載せるためのフットステップ２３が形成されている。そして、その反対側の後ろ側には、倒立型移動体が接地状態にあるとき、フットステップ２３と共に本体部２１を支える後方バー２４が設けられている。２つの車輪２２、フットステップ２３及び後方バー２４は、モータ等で駆動されるもので、これら全体でモータ駆動部２を構成する。
【００２５】
先ず、図２に示すように、ユーザが接地状態の倒立型移動体１に搭乗する(ステップＳ１)。次に、重心が車軸上の前後のどちらにあるかを知るために、ステップ・後方バー制御演算部５は、フットステップ２３又は後方バー２４をある指令角度（決められた角度）動かす(ステップＳ２、図３（ａ）、図４（ａ）参照)。ロボット統括部４は、センサ部３で計測される傾斜角速度が正であると判断した場合、すなわち、前に倒れたとき重心が車軸上より前にあると判断したら（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、ステップ・後方バー制御演算部５は、姿勢を後傾側に動かす。つまり、フットステップ２３を、上体を後ろにそらす方向に動かして、重心２５を車軸上に動かす（ステップＳ４）。
【００２６】
このとき、ロボット統括部４は、フットステップ２３が地面から浮いているか確認する（ステップＳ５、図３（ｂ）、図４（ｂ）参照）。ここで、フットステップ２３が浮いておらず、しかし、フットステップ２３の稼働範囲が、予め設定されている稼働範囲内であれば（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、ステップＳ４の処理に戻り、再びフットステップ２３を動かして姿勢を後傾側に倒し、重心２５を移動する。また、フットステップ２３がそれでも浮かず、かつフットステップ２３の稼働範囲が上記定められた稼働範囲を超えた場合は、フットステップ２３を初期位置に戻し、倒立動作を中止する（図４（ｃ）参照）。
【００２７】
一方、フットステップ２３が地面から浮いたら（ステップＳ５：Ｙｅｓ、図３（ｃ）参照）、ロボット統括部４は、倒立制御を開始するよう倒立制御演算部６に指示する。倒立制御演算部６は、モータ駆動部２に対し、倒立動作するよう制御値を出力し、各部位は、ある指令角度に移動する（ステップＳ１１）。
【００２８】
次に、ステップＳ３において、傾斜角度が正でなかった場合について説明する。このように、前に倒れたかったとき（図５（ａ）、図６（ａ）参照）は、重心が車軸上より後ろにあると判断することができる。この場合は、後方バー２４を動かして姿勢を前傾側に倒す（ステップＳ７）。つまり、上体を前に倒す方向に後方バー２４を動かして、重心２５を車軸上に動かす。そして、ロボット統括部４は、後方バー２４が地面から浮いているか否かを判断する（ステップＳ８、図５（ｂ）、図６（ｂ）参照）。もし、後方バー２４が地面から浮いていなくても、後方バー２４が予め設定されている稼働範囲内で動いている場合は、再度ステップＳ７に戻り、後方バー２４を再び移動させて重心位置を変更する。後方バー２４を移動させても後方バー２４が地面から浮かず、かつ後方バー２４の動いた範囲が上記稼働範囲を超えている場合は、倒立開始せず、初期位置に戻る（ステップＳ１２、図６（ｃ）参照）。
【００２９】
一方、ステップＳ８において、後方バー２４が地面から浮いている場合（ステップＳ８：Ｙｅｓ、図５（ｂ）参照）、倒立を開始する。すなわち、倒立制御演算部６は、モータ駆動部２が倒立動作を行うよう、制御値をモータ駆動部２に出力し、モータ駆動部２を指令課角度（倒立姿勢）へ移動させる。
【００３０】
ここで、モータ駆動部２には、ステップ・後方バー駆動部と、車輪駆動部とが含まれる。上記の動作は、ステップ・後方バー駆動部の動作である。車輪駆動部は、接地状態から倒立を開始するか否かを決定するまでの間、ある姿勢のまま停止しているため、その間の駆動トルクは、一定値となっている（ステップＳ１３）。そして、車輪駆動部は、フットステップ２３又は後方バー２４が地面から浮いて倒立開始となったときに、倒立、走行するための２輪制御値を２輪に出力するようにする。
【００３１】
本実施の形態においては、接地状態の段階から、フットステップ２３又は後方バー２４を移動させ、重心２５の位置が所定の範囲内であるときにのみ、すなわち、フットステップ２３又は後方バー２４が地面から浮く場合にのみ倒立を行う。そして、重心２５の位置が所定の範囲を外れるとき、すなわち、フットステップ２３又は後方バー２４が地面から浮かない場合には、暴走するなどの危険があるとして、倒立動作を行わないものである。このことにより、安全に倒立動作を行うことができる。
【００３２】
次に、本実施の形態の変形例について説明する。図７及び図８は、本実施の形態の変形例を示す図であって、図７は重心が車軸上から許容範囲内に位置する場合、図８は重心が車軸上から許容範囲外に位置する場合を示している。本変形例においては、後方バー２４におもり２６を設けている。これにより、車軸より前方の重心許容範囲を大きくとることができる。よって、より前方の稼働範囲を大きくとっても、重心位置を車軸上に維持させることができる。また、本例においては、おもり２６は、後方バー２４にとりつけるものとして説明したが、同様のおもりをフットステップ２３に取りつけるようにしてもよい。そうすることにより、車軸より後方の重心許容範囲を大きくとることができ、後方の稼働範囲を大きくとることができる。
【００３３】
なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
【００３４】
例えば、上述の実施の形態では、ハードウェアの構成として説明したが、これに限定されるものではなく、任意の処理を、ＣＰＵ（Central Processing Unit）にコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。この場合、コンピュータプログラムは、記録媒体に記録して提供することも可能であり、また、インターネットその他の伝送媒体を介して伝送することにより提供することも可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１ 倒立型移動体
２ モータ駆動部
３ センサ部
４ ロボット統括部
５ ステップ・後方バー制御演算部
６ 倒立制御演算部
２１ 本体部
２２ 車輪
２３ フットステップ
２４ 後方バー
２５ 重心
２６ おもり
１０１ 倒立二輪型ロボット
１１１ 車体
１１２ スイングアーム
１１３ スイングアーム軸
１１４ 駆動軸
１１５ 駆動輪
１１６ 補助輪
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２以上の車輪を有する駆動手段と、
前記駆動手段の状態を検出するセンサ手段と、
前記センサ手段の検出結果に基づき倒立開始の許否を決定する拒否決定手段と、
倒立走行を行うために前記駆動手段を制御する倒立制御手段とを有し、
前記拒否決定手段は、移動体の重心位置が許容範囲内にある場合にのみ倒立開始を許可する倒立型移動体。
【請求項２】
前記拒否決定手段は、前記重心が前記移動体の軸上にくるよう前記駆動手段を動かした際に、その稼働範囲が許容範囲内である場合、前記重心位置が許容範囲内にあると判定する
ことを特徴とする請求項１記載の倒立型移動体。
【請求項３】
前記駆動手段は、２以上の車輪と、前側に設けられ搭乗者の足を乗せるためのフットステップと、後側に設けられ当該フットステップと共に移動体を支える後方バーとを有する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の倒立型移動体。
【請求項４】
前記拒否決定手段は、前記フットステップ又は前記後方バーが地面から浮いた場合に前記倒立開始を許可する
ことを特徴とする請求項３記載の倒立型移動体。
【請求項５】
前記後方バー及び／又はフットステップに所定の重さの負荷を加える
ことを特徴とする請求項３又は４記載の倒立型移動体。
【請求項６】
２以上の車輪を含む駆動手段と、この駆動手段の状態を検出するセンサ手段と、倒立走行させるためにこの駆動手段を制御する倒立制御手段とを有する移動体の倒立制御方法であって、
前記センサにより前記駆動手段の状態を検出する検出工程と、
前記センサの検出結果に基づき倒立開始の拒否を決定する拒否決定工程とを有し、
前記拒否決定工程では、前記移動体の重心位置が許容範囲内にある場合にのみ前記倒立開始の許可を決定する、移動体の倒立制御方法。
【請求項７】
前記拒否決定工程では、前記駆動手段の稼働範囲が許容範囲内である場合に、前記重心位置が許容範囲内にあると判定する
ことを特徴とする請求項６記載の移動体の倒立制御方法。
【請求項８】
前記駆動手段は、２以上の車輪の他に、前側に設けられ搭乗者の足を乗せるためのフットステップと、後側に設けられ当該フットステップと共に移動体を支える後方バーとを有し、
前記検出工程では、前記フットステップ及び／又は後方バーの稼働範囲を検出する
ことを特徴とする請求項６又は７記載の移動体の倒立制御方法。
【請求項９】
前記拒否決定工程は、
前記フットステップ又は前記後方バーを所定の指令角度動かし、
前記移動体が前傾した場合には前記フットステップを動かし姿勢を後傾側に動かし、
前記移動体が後傾した場合には前記後方バーを動かし姿勢を前傾側に動かし、
前記フットステップ又は後方バーが地面から浮いた場合に、前記倒立開始を許可する
ことを特徴とする請求項８記載の移動体の倒立制御方法。
【請求項１】
２以上の車輪を有する駆動手段と、
前記駆動手段の状態を検出するセンサ手段と、
前記センサ手段の検出結果に基づき倒立開始の許否を決定する拒否決定手段と、
倒立走行を行うために前記駆動手段を制御する倒立制御手段とを有し、
前記拒否決定手段は、移動体の重心位置が許容範囲内にある場合にのみ倒立開始を許可する倒立型移動体。
【請求項２】
前記拒否決定手段は、前記重心が前記移動体の軸上にくるよう前記駆動手段を動かした際に、その稼働範囲が許容範囲内である場合、前記重心位置が許容範囲内にあると判定する
ことを特徴とする請求項１記載の倒立型移動体。
【請求項３】
前記駆動手段は、２以上の車輪と、前側に設けられ搭乗者の足を乗せるためのフットステップと、後側に設けられ当該フットステップと共に移動体を支える後方バーとを有する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の倒立型移動体。
【請求項４】
前記拒否決定手段は、前記フットステップ又は前記後方バーが地面から浮いた場合に前記倒立開始を許可する
ことを特徴とする請求項３記載の倒立型移動体。
【請求項５】
前記後方バー及び／又はフットステップに所定の重さの負荷を加える
ことを特徴とする請求項３又は４記載の倒立型移動体。
【請求項６】
２以上の車輪を含む駆動手段と、この駆動手段の状態を検出するセンサ手段と、倒立走行させるためにこの駆動手段を制御する倒立制御手段とを有する移動体の倒立制御方法であって、
前記センサにより前記駆動手段の状態を検出する検出工程と、
前記センサの検出結果に基づき倒立開始の拒否を決定する拒否決定工程とを有し、
前記拒否決定工程では、前記移動体の重心位置が許容範囲内にある場合にのみ前記倒立開始の許可を決定する、移動体の倒立制御方法。
【請求項７】
前記拒否決定工程では、前記駆動手段の稼働範囲が許容範囲内である場合に、前記重心位置が許容範囲内にあると判定する
ことを特徴とする請求項６記載の移動体の倒立制御方法。
【請求項８】
前記駆動手段は、２以上の車輪の他に、前側に設けられ搭乗者の足を乗せるためのフットステップと、後側に設けられ当該フットステップと共に移動体を支える後方バーとを有し、
前記検出工程では、前記フットステップ及び／又は後方バーの稼働範囲を検出する
ことを特徴とする請求項６又は７記載の移動体の倒立制御方法。
【請求項９】
前記拒否決定工程は、
前記フットステップ又は前記後方バーを所定の指令角度動かし、
前記移動体が前傾した場合には前記フットステップを動かし姿勢を後傾側に動かし、
前記移動体が後傾した場合には前記後方バーを動かし姿勢を前傾側に動かし、
前記フットステップ又は後方バーが地面から浮いた場合に、前記倒立開始を許可する
ことを特徴とする請求項８記載の移動体の倒立制御方法。
【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２０１０−２８０３４３（Ｐ２０１０−２８０３４３Ａ）
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３６８９９（Ｐ２００９−１３６８９９）
【出願日】平成２１年６月８日（２００９．６．８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月８日（２００９．６．８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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