移動体、及びその制御方法
【課題】高い操作性を有する移動体、及びその制御方法を提供する。
【解決手段】本発明の一態様にかかる移動体１は、搭乗者が搭乗する搭乗席８と、搭乗席８を支持する車台１３と、車台１３を移動させる車輪６と、搭乗席の座面に加わる力に応じて、ヨー軸周りのモーメント、ピッチ軸周りのモーメント、及びロール軸周りのモーメントに対応する計測信号を出力するセンサと、ピッチ軸周りのモーメントに基づいて、並進成分を算出する並進成分算出部５５と、ロール軸周りのモーメントに基づいて、旋回成分を算出する旋回成分算出部５４と、ヨー軸周りのモーメントに基づいて、その場旋回成分を算出するその場旋回成分算出部５６と、並進成分と旋回成分とその場旋回成分とを合成して、移動機構を駆動するための指令値を算出する合成部５７、を備えるものである。
【解決手段】本発明の一態様にかかる移動体１は、搭乗者が搭乗する搭乗席８と、搭乗席８を支持する車台１３と、車台１３を移動させる車輪６と、搭乗席の座面に加わる力に応じて、ヨー軸周りのモーメント、ピッチ軸周りのモーメント、及びロール軸周りのモーメントに対応する計測信号を出力するセンサと、ピッチ軸周りのモーメントに基づいて、並進成分を算出する並進成分算出部５５と、ロール軸周りのモーメントに基づいて、旋回成分を算出する旋回成分算出部５４と、ヨー軸周りのモーメントに基づいて、その場旋回成分を算出するその場旋回成分算出部５６と、並進成分と旋回成分とその場旋回成分とを合成して、移動機構を駆動するための指令値を算出する合成部５７、を備えるものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体、及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、搭乗者を搭乗させた状態で移動する移動体が開発されている（特許文献１、２）。例えば、特許文献１〜３では、搭乗者が搭乗する搭乗面（座面）に力センサ（圧力センサ）を設けている。そして、力センサからの出力によって、車輪を駆動している。すなわち、力センサが操作手段となって、入力が行われている。
【０００３】
特許文献１の移動体では、進みたい方向に体重をかけることで移動している。例えば、前方に進みたい場合、搭乗者が上体を前方に傾ける。すなわち、搭乗者が前傾姿勢になる。そして、前傾姿勢になると搭乗席に加わる力が変化する。そして、この力及びモーメントを力センサで検出する。力センサの検出結果によって、球状タイヤを駆動している。特許文献１の図１４には、搭乗者が搭乗席に座った状態で、倒立振子制御を行っている。特許文献２には、車椅子型の移動体が開示されている。この移動体には、椅子とフットレストが設けられている。
【０００４】
また、特許文献３には、利用者の動作を能動的に検知して、それに応じて自律的に動作する移動体が開示されている。例えば、複数の圧力センサによって、利用者の重心を計算している。この重心位置に応じて、車椅子形状の移動体が動作している（図２）。
【０００５】
さらに、特許文献４では、２足歩行型の移動体を動作させるためのインタフェイス装置が開示されている。このインタフェイス装置は、椅子型形状を有している。そして、椅子の背面と座面に複数の力センサを設けている。４つの力センサによって、搭乗者の骨盤旋回を検知して、歩行意思を推定している。そして、力センサによって推定された歩行意志に応じて両脚を駆動している。また、このインタフェイス装置には、足置き台が設けられている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２８２１６０号公報
【特許文献２】特開平１０−２３６１３号公報
【特許文献３】特開平１１−１９８０７５号公報
【特許文献４】特開平７−１３６９５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１〜３では、実際に移動体に搭乗している搭乗者の姿勢によって、移動している。これにより、実際に移動している環境に応じた操作が可能になる。例えば、搭乗者は、以下のように操作を行うことができる。前進したい場合、搭乗者が前方に上体を移動させる。すなわち、搭乗者が前傾姿勢になる。すると、重心位置が前方になって、力センサに加わる力が変化する。これにより、センサが前進入力を検知する。反対に、後方に移動したい場合は、搭乗者が後傾姿勢になる。すると、重心位置が後方になり、後傾入力が検知される。また、左右に移動する場合は、搭乗者が左右方向に重心を移動する。これにより、左右の旋回入力が検知される。このように、旋回入力、前進入力、後退入力に応じて移動することができる。
【０００８】
例えば、特許文献２では、４つの圧力センサを設けている。そして、前後の圧力センサの荷重差に応じて、前進入力、又は後退入力を行っている。また、左右の圧力センサへの荷重差に応じて、左右の旋回入力を行っている。そして、前進入力又は後退入力に、旋回入力が組み合わされることで、斜め方向への移動が可能となる。
【０００９】
また、特許文献４では、座部と背もたれ部に２つのセンサを設けている。そして、4つのセンサに加えられる力を検出して、力の方向を検知している。そして、搭乗者の腰椎を中心とした回転運動を検出することで、歩行動作を検出している。具体的には、腰部の腰椎を中心とした回旋方向に応じて、前に出す足を決めている。すなわち、腰部の回旋方向を反転させることで、右足と左足が交互に前に出ることになる。
【００１０】
しかしながら、上記の特許文献では、その場で旋回することができない。すなわち、力センサで、その場旋回成分の入力を検知することができない。従って、搭乗者が、その場で旋回したい場合でも、旋回半径が大きくなってしまうという問題点がある。
【００１１】
このように、従来の移動体では、搭乗者の意図通りに、操作することができないという問題点がある。
【００１２】
本発明は、高い操作性を有する移動体、及びその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】
【００１３】
本発明の第１の態様に係る移動体は、搭乗者が搭乗する搭乗部と、前記搭乗部を支持する本体部と、前記本体部を移動させる移動機構と、前記搭乗部の搭乗面に加わる力に応じて、ヨー軸周りのモーメント、ピッチ軸周りのモーメント、及びロール軸周りのモーメントに対応する計測信号を出力するセンサと、前記ピッチ軸周りのモーメントに基づいて、並進成分を算出する並進成分算出部と、前記ロール軸周りのモーメントに基づいて、旋回成分を算出する旋回成分算出部と、前記ヨー軸周りのモーメントに基づいて、その場旋回成分を算出するその場旋回成分算出部と、前記並進成分と前記旋回成分と前記その場旋回成分とを合成して、前記移動機構を駆動するための指令値を算出する合成部と、を備えるものである。これにより、ヨー軸周りのモーメントから、その場旋回成分を算出することができるため、より操作性を向上することができる。
【００１４】
本発明の第２の態様に係る移動体は、上記の移動体であって、前記ピッチ軸周りのモーメントの値に応じて、前記合成部で合成される前記その場旋回成分の値を制限することを特徴とするものである。これにより、搭乗者の腰のひねりに応じて、その場旋回成分が制限されるため、搭乗者が意図しない方向に、移動体が移動するのを防ぐことができる。よって、操作性をより向上することができる。
【００１５】
本発明の第３の態様に係る移動体は、上記の移動体であって、前記搭乗者が後傾姿勢となって後退入力を操作した場合では、前記搭乗者が前傾姿勢となって前進入力を操作した場合よりも、前記その場旋回成分の値が制限されていることを特徴とするものである。これにより、後退するときに搭乗者が後方を確認した場合でも、搭乗者の意図する方向に移動体が移動する。よって、操作性をより向上することができる。
【００１６】
本発明の第４の態様に係る移動体の制御方法は、搭乗者が搭乗する搭乗部と、前記搭乗部を支持する本体部と、前記本体部を移動させる移動機構と、を備える移動体の制御方法であって、前記搭乗部の搭乗面に加わる力に応じて、ヨー軸周りのモーメント、ピッチ軸周りのモーメント、及びロール軸周りのモーメントに対応する計測するステップと、前記計測するステップで計測されたピッチ軸周りのモーメントに基づいて並進成分を算出し、前記計測するステップで計測された前記ロール軸周りのモーメントに基づいて、旋回成分を算出し、前記計測するステップで計測された前記ヨー軸周りのモーメントに基づいて、その場旋回成分を算出し、前記並進成分と前記旋回成分と前記その場旋回成分とを合成して、前記移動機構を駆動するための指令値を算出するステップと、を備えるものである。これにより、ヨー軸周りにモーメントから、その場旋回成分を算出することができるため、より操作性を向上することができる。
【００１７】
本発明の第５の態様に係る移動体の制御方法は、上記の制御方法であって、前記ピッチ軸周りのモーメントの値に応じて、前記その場旋回成分の値を制限することを特徴とするものである。これにより、搭乗者の腰のひねりに応じて、その場旋回成分が制限されるため、搭乗者が意図しない方向に、移動体が移動するのを防ぐことができる。よって、操作性をより向上することができる。
【００１８】
本発明の第６の態様に係る移動体の制御方法は、上記の制御方法であって、前記搭乗者が後傾姿勢となって後退入力を操作した場合では、前記搭乗者が前傾姿勢となって前進入力を操作した場合よりも、前記その場旋回成分の値が制限されていることを特徴とするものである。これにより、後退するときに搭乗者が後方を確認した場合でも、搭乗者の意図する方向に移動体が移動する。よって、操作性をより向上することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、高い操作性を有する移動体、及びその制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係る小型車両の実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００２１】
発明の実施の形態１．
実施形態１に係る移動体１について、図１、図２を用いて説明する。図１は、移動体１の構成を模式的に示す正面図であり、図２は、移動体１の構成を模式的に示す側面図である。なお、図１、及び図２には、ＸＹＺの直交座標系が示されている。Ｙ軸が移動体１の左右方向を示し、Ｘ軸が移動体１の前後方向を示し、Ｚ軸が鉛直方向を示している。従って、Ｘ軸がロール軸に対応し、Ｙ軸がピッチ軸、Ｚ軸がヨー軸となる。図１、２において、＋Ｘ方向が移動体１の前方向であるとして説明する。
【００２２】
図１に示すように移動体１は、搭乗部３、及び車台１３を有している。車台１３は、移動体１の本体部であり、搭乗部３を支持している。車台１３は、車輪６、フットレスト１０、筐体１１、制御計算部５１、バッテリ５２等を備えている。車輪６は、前輪６０１と後輪６０２から構成されている。ここでは、1つの前輪６０１と２つの後輪６０２からなる３輪型の移動体１を説明する。
【００２３】
搭乗部３は、搭乗席８、及び力センサ９を有している。そして、搭乗席８の上面が座面８ａとなる。すなわち、座面８ａの上に、搭乗者が乗った状態で移動体１が移動する。座面８ａは平面でもよいし、臀部の形に合わせた形状となっていてもよい。さらに、搭乗席８に背もたれを設けてもよい。乗り心地を向上するために、搭乗席８にクッション性を持たせてもよい。移動体１が水平面上にある場合、座面８ａが水平になっている。力センサ９は、搭乗者の体重移動を検知する。すなわち、力センサ９は、搭乗席８の座面８ａに加わる力を検出する。そして、力センサ９は、座面８ａに加わる力に応じた計測信号を出力する。力センサ９は、搭乗席８の下側に配置される。すなわち、車台１３と搭乗席８の間に、力センサ９が配設されている。
【００２４】
力センサ９としては、例えば、６軸力センサを用いることができる。この場合、図３に示すように、３軸方向の並進力（ＳＦｘ、ＳＦｙ、ＳＦｚ）と各軸周りのモーメント（ＳＭｘ、ＳＭｙ、ＳＭｚ）を計測する。これらの並進力とモーメントは、力センサ９の中心を原点に取った値である。移動体１のセンサ処理部に出力する計測信号をモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）とし、それらのモーメントの制御座標原点を図２に示す（ａ、ｂ、ｃ）とすると、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚは、それぞれ以下のように表すことができる。
Ｍｘ＝ＳＭｘ＋ｃ・ＳＦｙ−ｂ・ＳＦｚ
Ｍｙ＝ＳＭｙ＋ａ・ＳＦｚ−ｃ・ＳＦｘ
Ｍｚ＝ＳＭｚ＋ｂ・ＳＦｘ−ａ・ＳＦｙ
なお、図３は、各軸を説明するための図である。力センサ９として、モーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を計測できるものであればよい。各軸周りのモーメント（ＳＭｘ、ＳＭｙ、ＳＭｚ）を計測できる３軸力センサを制御座標原点に配置して、Ｍｘ，Ｍｙ、Ｍｚを直接計測してもよい。また、１軸の力センサを３つ設けてもよい。さらには、歪みゲージや、ポテンショを用いたアナログジョイスティックなどでもよい。すなわち、直接的又は間接的に３軸周りのモーメントを計測できるものであればよい。そして、力センサ９は、３つのモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を計測信号として出力する。
【００２５】
移動体１の本体部分となる車台１３には、車輪６、フットレスト１０、筐体１１、制御計算部５１、及びバッテリ５２等が設けられている。筐体１１は、箱形状を有しており、前方下側が突出している。そして、この突出した部分の上にフットレスト１０が配設されている。フットレスト１０は、搭乗席８の前方側に設けられている。従って、搭乗者が搭乗席８に搭乗した状態では、搭乗者の両足がフットレスト１０上に乗せられている。
【００２６】
筐体１１には、駆動モータ６０３、制御計算部５１、及びバッテリ５２が内蔵されている。バッテリ５２は、駆動モータ６０３、制御計算部５１、及び力センサ９などの各電気機器に電源を供給する。
【００２７】
筐体１１には、車輪６が回転可能に取り付けられている。ここでは、円盤上の車輪６が３つ設けられている。車輪６の一部は、筐体１１の下面よりも下側に突出している。従って、車輪６が床面と接触している。２つの後輪６０２は、筐体１１の後部に設けられている。後輪６０２は、駆動輪であり、駆動モータ６０３によって回転する。すなわち、駆動モータ６０３が駆動することによって、後輪６０２がその車軸周りに回転する。後輪６０２は、左右両側に設けられている。なお、後輪６０２には、その回転速度を読み取るためのエンコーダが内蔵されている。左の後輪６０２の車軸と、右の後輪６０２の車軸は、同一直線上に配置されている。
【００２８】
また、車輪６には前輪６０１が含まれている。そして、1つの前輪６０１が筐体１１の前部中央に設けられている。従って、Ｙ方向において、２つの後輪６０２の間に、前輪６０１が配設されている。Ｘ方向において、前輪６０１の車軸と後輪６０２の車軸との間に、搭乗席８が設けられている。前輪６０１は、従動輪（補助輪）であり、移動体１の移動に応じて回転する。すなわち、後輪６０２の回転によって移動する方向、及び速度に応じて、前輪６０１が回転する。このように、後輪６０２の前に補助輪である前輪６０１を設けることで、転倒を防ぐことができる。前輪６０１は、フットレスト１０の下方に設けられている。
【００２９】
制御計算部５１はＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、通信用のインタフェイスなどを有する演算処理装置である。また、制御計算部５１は、着脱可能なＨＤＤ、光ディスク、光磁気ディスク等を有し、各種プログラムや制御パラメータなどを記憶し、そのプログラムやデータを必要に応じてメモリ（不図示）等に供給する。もちろん、制御計算部５１は、物理的に一つの構成に限られるものではない。制御計算部５１には、力センサ９からの出力に応じて駆動モータ６０３の動作を制御するための処理を行う。
【００３０】
次に、移動体１を移動させるための制御系について、図４を用いて説明する。図４は、移動体１を移動させるための制御系の構成を示すブロック図である。まず、力センサ９によって、座面８ａにかかる力を検出する。ここでは、上記の通り、力センサ９は、計測信号であるモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚをセンサ処理部５３に出力する。センサ処理部５３は、力センサ９からの計測信号に対して処理を行う。すなわち、力センサ９から出力される計測信号に対応する計測データに対して、演算処理を行う。これにより、制御計算部５１に入力される入力モーメント値（Ｍｘ'、Ｍｙ'、Ｍｚ'）が算出される。なお、センサ処理部５３は、力センサ９に内蔵されていてもよく、制御計算部５１に内蔵されていてもよい。
【００３１】
このように、力センサ９で計測されたモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）が各軸周りの入力モーメント値（Ｍｘ'、Ｍｙ'、Ｍｚ'）に変換される。そして、入力モーメント値が各後輪６０２を動作させるために入力される入力値となる。このように、センサ処理部５３は、各軸毎に入力値を算出する。入力モーメント値の大きさは、モーメントの大きさに応じて決まる。入力モーメント値の符号は、計測されたモーメントによって決まる。すなわち、モーメントが正の場合、入力モーメント値も正となり、モーメントが負の場合、入力モーメント値も負となる。例えば、モーメントＭｘが正の場合、入力モーメント値Ｍｘ'も正となる。従って、この入力モーメント値が搭乗者の意図する操作に対応する入力値となる。
【００３２】
制御計算部５１は、入力モーメント値に基づいて、制御計算を行う。これにより、駆動モータ６０３を駆動するための指令値が算出される。すなわち、制御計算部５１は、入力値に基づく指令値を各駆動モータ６０３に出力する。この制御計算部５１は、図４に示すように、旋回成分算出部５４と、並進成分算出部５５と、その場旋回成分算出部５６と、合成部５７と、変更部５８と、を有している。
【００３３】
旋回成分算出部５４には、入力モーメント値Ｍｘ'が入力される。旋回成分算出部５４は、この入力モーメント値Ｍｘ'に基づいて、指令値の旋回成分を算出する。すなわち、入力モーメント値Ｍｘ'に対して所定の演算処理を行って、ロール軸周りの入力モーメント値Ｍｘ'を旋回成分に変換する。例えば、旋回成分には、左右の後輪６０２の回転速度が含まれている。従って、旋回成分算出部５４は、入力モーメント値Ｍｘ'に対して単位変換を行い、回転速度を導出する。このように、ロール軸周りの入力モーメント値Ｍｘ'が移動体１に対する旋回入力となる。
【００３４】
同様に、並進成分算出部５５は、入力された入力モーメント値Ｍｙ'に基づいて、指令値の並進成分を算出する。すなわち、入力モーメント値Ｍｙ'に対して所定の演算処理を行って、ピッチ軸周りの入力モーメント値Ｍｙ'を並進成分に変換する。例えば、並進成分には、左右の後輪６０２の回転速度が含まれている。従って、並進成分算出部５５は、入力モーメント値Ｍｙ'に対して単位変換を行い、回転速度を導出する。このように、ピッチ軸周りの入力モーメント値Ｍｙ'が移動体１に対する並進入力となる。そして、入力モーメント値Ｍｙ'が正の場合、前進入力となり。負の場合、後退入力となる。
【００３５】
さらに、その場旋回成分算出部５６は、入力された入力モーメント値Ｍｚ'に基づいて、指令値のその場旋回成分を算出する。すなわち、入力モーメント値Ｍｚ'に対して所定の演算処理を行って、ヨー軸周りの入力モーメント値Ｍｚ'をその場旋回成分に変換する。例えば、その場旋回成分には、左右の後輪６０２の回転速度が含まれている。従って、その場旋回成分算出部５６は、入力モーメント値Ｍｚ'に対して単位変換を行い、回転速度を導出する。このように、ヨー軸周りの入力モーメント値Ｍｚ'が移動体１に対するその場旋回入力となる。
【００３６】
なお、並進成分は、２つの後輪６０２を同じ方向に同じ回転速度で回転させるための成分である。２つの後輪６０２が同じ方向に同じ速度で回転することで、移動体１が直進する。旋回成分、及びその場旋回成分が０で、並進成分のみの場合、２つの後輪６０２が同じ方向に同じ速度で回転する。この場合の回転方向は、入力モーメント値Ｍｙ'の符号によって、決まる。すなわち、モーメントＭｙが正の場合、後輪６０２が前方向に回転し、負の場合、後輪が後方向に回転する。そして、後輪６０２の回転速度は、入力モーメント値Ｍｙ'の大きさによってきまる。すなわち、計測されたモーメントＭｙに応じて、並進成分が算出される。搭乗者が前傾姿勢、又は後傾姿勢になることで、モーメントＭｙが入力される。そして、このモーメントＭｙが入力モーメント値Ｍｙ'に変換される。なお、入力モーメント値Ｍｙ'の絶対値が大きいほど、並進成分の絶対値が大きくなる。
【００３７】
旋回成分は、２つの後輪６０２を同じ方向に、異なる回転速度で回転させるための成分である。旋回成分に応じて、２つの後輪６０２が同じ方向に異なる速度で回転する。２つの後輪６０２の回転速度の差が、入力モーメント値Ｍｘ'によって決まる。換言すると、現在の移動方向からの相対的な移動方向は、入力モーメント値Ｍｘ'に応じて変化する。旋回成分によって舵角が決まる。例えば、搭乗者の重心位置の方向に、移動体１が移動するようになる。搭乗者が腰を左右に曲げることで、モーメントＭｘが入力される。そして、このモーメントＭｘが入力モーメント値Ｍｘ'に変換される。従って、モーメントＭｘに基づいて、旋回成分が算出される。なお、入力モーメント値Ｍｘ'が大きいほど、旋回成分が大きくなる。なお、入力モーメント値Ｍｘ'の絶対値が大きいほど、旋回成分の絶対値が大きくなる。
【００３８】
その場旋回成分は、２つの後輪６０２を反対方向に、同じ回転速度で回転させるための成分である。すなわち、２つの後輪６０２が同じ回転速度で反対方向に回転することで、移動体１がその場で旋回する。従って、旋回成分、及び並進成分が０で、その場旋回成分のみの場合、２つの後輪６０２が反対方向に同じ回転速度で回転する。この場合の回転方向は、入力モーメント値Ｍｚ'の符号によって、決まる。例えば、モーメントＭｚが正の場合、入力モーメント値Ｍｚ'も正の値となる。すると、右回りのその場旋回を行い、右の後輪６０２が前方向、左の後輪６０２が後方向に回転する。反対にモーメントＭｚが負の場合、入力モーメント値Ｍｚ'も負の値となる。よって、左回りのその場旋回を行い、左の後輪６０２が前方向、右の後輪６０２が後方向に回転する。
【００３９】
搭乗者が腰をひねることで、ヨー軸周りのモーメントＭｚが検出される。センサ処理部５３が、モーメントＭｚを入力モーメント値Ｍｚ'に変換する。このように、ヨー軸周りのモーメントＭｚに基づいて、その場旋回成分を算出している。なお、入力モーメント値Ｍｚ'の絶対値が大きいほど、その場旋回成分の絶対値が大きくなる。
【００４０】
並進成分、旋回成分、その場旋回成分の各成分には、例えば、左右の後輪６０２の回転速度が含まれている。もちろん、並進成分では、左右の後輪６０２の回転速度が同じ値になる。旋回成分では、左右の後輪６０２の回転速度が同じ方向で異なる値になる。その場旋回成分では、左右６０２の後輪の回転速度が反対方向で同じ値になる。そして、合成部５７は、並進成分、旋回成分、その場旋回成分を合成する。これにより、目標回転速度が算出される。具体的には、右の後輪６０２の回転速度を算出するために、並進成分、旋回成分、その場旋回成分のそれぞれに含まれる右の後輪６０２の回転速度を足し合わせる。同様に、左の後輪６０２についても、並進成分、旋回成分、その場旋回成分のそれぞれに含まれる左の後輪６０２の回転速度を足し合わせる。これにより、左右の後輪６０２に対する目標回転角度が算出される。
【００４１】
より具体的には、旋回成分では、右の回転速度が１０であり、左の回転速度が２０であるとする。また、その場旋回成分では、右の回転速度が−５であり、左の回転速度が５であるとする。この場合、旋回成分とその場旋回成分とを合成すると、右の回転速度が５となり、左の回転速度が２５となる。ここでは、前方向の回転を正の値、後方向の回転を負の値とする。なお、回転速度の単位は任意の単位である。さらに、並進成分では、左右の回転速度が２０とすると、最終的な目標回転速度は、右で２５、左で４５となる。このように、各成分の回転速度を左右の後輪６０２毎に合算する。これにより、左右それぞれの後輪６０２に対して、目標回転速度を算出することができる。なお、合成する際に、各成分の値に対して適当なゲインを乗じてもよい。さらに、モーメントを入力モーメント値に変換する際におけるゲイン、あるいは、入力モーメント値を各成分に変換する際における、ゲインを変えてもよい。すなわち、モーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚから各成分を算出するためのゲインを成分毎に、変えてもよい。
【００４２】
そして、制御計算部５１は、目標回転速度に応じた指令値を出力する。左右の後輪６０２に対する指令値は、駆動モータ６０３に出力される。なお、本実施形態では、左右の後輪６０２が駆動輪であるため、２つの駆動モータ６０３が図示されている。そして、一方の駆動モータ６０３が右の後輪６０２を回転させ、他方の駆動モータ６０３が左の後輪６０２を回転させる。駆動モータ６０３は、指令値に基づいて後輪６０２を回転させる。すなわち、駆動モータ６０３は、駆動輪である後輪６０２を回転させるためのトルクを与える。もちろん、駆動モータ６０３は、減速機などを介して、後輪６０２に回転トルクを与えてもよい。例えば、制御計算部５１から、指令値として指令トルクが入力された場合、その指令トルクで、駆動モータ６０３が回転する。これにより、後輪６０２が回転して、移動体１が所望の方向に、所望の速度で移動する。もちろん、指令値は、トルクに限らず、回転速度、回転数であってもよい。
【００４３】
さらに、駆動モータ６０３にはそれぞれ、エンコーダ６０３ａが内蔵されている。このエンコーダ６０３ａは、駆動モータ６０３の回転速度等を検出する。そして、検出された回転速度は、制御計算部５１に入力される。制御計算部５１は、現在の回転速度と、目標となる回転速度とに基づいてフィードバック制御を行う。例えば、目標回転速度と現在回転速度との差分に、適当なフィードバックゲインを乗じて、指令値を算出する。もちろん、左右の駆動モータ６０３に出力される指令値は、異なる値であってもよい。すなわち、前方、又は後方に直進する場合は、左右の後輪６０２の回転速度が同じになるように制御し、左右に旋回する場合は、左右の後輪６０２が、同じ方向で異なる回転速度になるよう制御する。また、その場旋回する場合は、左右の後輪６０２が反対方向に回転するように制御する。
【００４４】
例えば、搭乗者が前傾姿勢になると、搭乗席８にピッチ軸周りの力が加わる。すると、力センサ９が＋Ｍｙのモーメントを検出する（図３参照）。この＋Ｍｙのモーメントによって、センサ処理部５３は、移動体１を並進させるための入力モーメント値Ｍｙ'を算出する。同様に、センサ処理部５３は、Ｍｘに基づいて入力モーメント値Ｍｘ'を算出し、Ｍｚに基づいて、入力モーメント値Ｍｚ'を算出する。すなわち、センサ処理部５３は、計測値を入力モーメント値に変換する。これらは、それぞれの独立に算出される。すなわち、Ｍｘ'は、Ｍｘのみによって決まり、Ｍｙ'は、Ｍｙのみによって決まり、Ｍｚ'は、Ｍｚのみのよって決まる。このように、Ｍｘ'、Ｍｙ'、Ｍｚ'はそれぞれ独立している。
【００４５】
制御計算部５１が、入力モーメント値から並進成分、旋回成分、その場旋回成分に変換する。そして、合成部５７が３つの成分を合成する。合成部５７が算出した合成値とエンコーダの読み値に基づいて、指令値を算出する。これにより、左右の後輪６０２が所望の回転速度で回転する。同様に、右方向に曲がる場合は、搭乗者が右側に体重移動する。すなわち、腰を左右に曲げる。これにより、搭乗席にロール軸周りの力が加わり、力センサ９が＋Ｍｘのモーメントを検出する。この＋Ｍｘのモーメントによって、センサ処理部５３は、移動体１を右方向に旋回させるための入力モーメント値Ｍｘ'を算出する。すなわち、移動体１が移動する方向に対応する舵角が求められる。そして、入力モーメント値に応じて、制御計算部５１が指令値を算出する。この指令値に応じて、左右の後輪６０２が異なる回転速度で回転する。すなわち、左側の後輪６０２が右側の後輪６０２よりも速い回転速度で回転する。
【００４６】
また、その場旋回する場合は、搭乗者が腰をねじる。これにより、搭乗席にヨー軸周りの力が加わり、力センサ９が＋Ｍｚのモーメントを検出する。この＋Ｍｚのモーメントによって、センサ処理部５３は、移動体１を右周りにその場旋回させるための入力モーメント値Ｍｚ'を算出する。そして、入力モーメント値に応じて、制御計算部５１が指令値を算出する。この指令値に応じて、左右の後輪６０２が同じ回転速度で反対に回転する。
【００４７】
このように、Ｍｙ'に基づいて、前後方向の並進移動に対する成分が求められる。すなわち、左右の後輪６０２を同じ方向に同じ回転速度で駆動するための並進成分の値が決定する。従って、Ｍｙ'、すなわち、Ｍｙが大きいほど、移動体１の移動速度が速くなる。Ｍｘ'に基づいて、移動方向、すなわち、舵角に対する成分が求められる。すなわち、左右の後輪６０２の回転速度差が決定される。従って、Ｍｘ'、すなわち、Ｍｘが大きいほど、左右の後輪６０２の回転速度の違いが大きくなる。
【００４８】
Ｍｚ'に基づいて、その場旋回に対する成分が求められる。すなわち、左右の後輪６０２を反対方向に回転させて、その場旋回するための成分が求められる。従って、Ｍｚ'、すなわち、Ｍｚが大きいほど、左右の後輪６０２における反対方向の回転速度が大きくなる。例えば、Ｍｚ'が正の場合、上側から見て、左周りにその場旋回するその場旋回成分の値が算出される。すなわち、右側の後輪６０２が前方に回転し、左側の後輪６０２が同じ回転速度で後方に回転することとなる。
【００４９】
そして、それぞれの入力モーメント値Ｍｘ'、Ｍｙ'、Ｍｚ'に基づいて算出された３つの成分を合成して、２つの後輪６０２を駆動するための指令値を算出する。これにより、左右の後輪６０２に対する指令値がそれぞれ算出される。駆動トルクや回転速度などが指令値として算出される。すなわち、入力モーメント値Ｍｘ'、Ｍｙ'、Ｍｚ'に対応する成分毎に算出された値を合成することで左右の後輪６０２に対する指令値が算出される。このように、計測されたモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚに基づいて、入力モーメント値Ｍｘ'、Ｍｙ'、Ｍｚ'が算出される。そして、算出された入力モーメント値Ｍｘ'、Ｍｙ'、Ｍｚ'によって、移動体１が移動する。ここでは、図５に示すように、各軸周りに対する入力モーメント値Ｍｘ'、Ｍｙ'、Ｍｚ'から、並進成分、旋回成分、その場旋回成分が求められる。搭乗者の体重移動によるモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚによって、移動体１の移動方向、及び移動速度が決定する。
【００５０】
このように、搭乗者の動作によって、移動体１を移動させるための入力が行われる。すなわち、搭乗者の姿勢変化によって、各軸周りのモーメントが検出される。そして、これらのモーメントの計測値に基づいて、移動体１が移動する。これにより、搭乗者が、移動体１を簡便に操作することができる。すなわち、ジョイスティックやハンドルなどの操作が不要となり、体重移動のみでの操作が可能となる。また、モーメントＭｚに基づいて、その場旋回成分を算出している。これにより、左右の後輪６０２の回転速度の差が大きくなるため、小回りが効くようになる。よって、旋回半径を小さくすることができる。搭乗者の意図する移動が可能になり、操作性を向上することができる。また、モーメントＭｚのみを入力することで、その場での旋回が可能になる。これにより、高い操作性を有する移動体１を提供することができる。
【００５１】
並進成分、旋回成分、その場旋回成分は、それぞれ独立して算出されている。すなわち、並進成分は、入力モーメント値Ｍｙ'、すなわち、ピッチ軸周りのモーメントＭｙのみに依存し、旋回成分は、入力モーメント値Ｍｘ'、すなわち、ロール軸周りのモーメントＭｘのみに依存し、その場旋回成分は、入力モーメント値Ｍｚ'、すなわち、ヨー軸周りのモーメントＭｚのみに依存している。そして、独立する３つの成分を合成している。これにより、簡便に指令値を算出することができる。
【００５２】
さらに、本実施の形態では、図４に示すように、変更部５８が設けられている。変更部５８は、制御計算部５１内に設けられている。変更部５８は、その場旋回成分算出部５６における演算処理を変更する。すなわち、変更部５８が、入力モーメント値をその場旋回成分に変換する際の変換式を変更する。この変更部５８の処理について説明する。
【００５３】
変更部５８には、ピッチ軸周りの入力モーメント値Ｍｙ'が入力されている。変更部５８は、ピッチ軸周りの入力モーメント値Ｍｙ'に基づいて、その場旋回成分算出部５６における処理を変更する。具体的には、入力モーメント値Ｍｙ'の値が正である場合と、負である場合とで、処理を切換えている。すなわち、搭乗者が前傾姿勢となって前方向に移動する場合と、搭乗者が後傾姿勢となって後方向に移動する場合とで、処理が変更される。
【００５４】
例えば、真後ろに直進しようとする場合、搭乗者が後傾姿勢となって、負の入力モーメント値Ｍｙ'を入力する。さらに、搭乗者は、確認のため、後ろを振り向く。すなわち、後方に障害物などがないかを確認するために、腰を腰椎周りに回転させて、顔を後方に向ける。すると、搭乗者が後方に直進しようとしていても、力センサ９によって、ヨー軸回りのモーメントＭｚが検出されてしまう。このように、真後ろに後退しようとする場合、搭乗者が後傾姿勢になるだけでなく、腰部が回転してします。これにより、負のモーメントＭｙとともに、モーメントＭｚが検出されてしまう。図６に示すように、入力モーメント値Ｍｙ'だけでなく、入力モーメント値Ｍｚ'を入力してしまう。後退入力だけでなく、その場旋回入力（Ｍｚ'）が入力されてしまうので、実際には、斜め後方に移動してしまう。
【００５５】
変更部５８では、後退入力時に、その場旋回入力がなされるのを防ぐために、その場旋回成分算出部５６における処理を変更している。具体的には、入力モーメント値Ｍｙ'が負の場合、その場旋回入力（Ｍｚ'）をキャンセルする。すなわち、変更部５８は、入力モーメント値Ｍｙ'が負であるか、正であるかを判定する。そして、入力モーメント値Ｍｙ'が負の場合、変更部５８は。その場旋回成分算出部５６に変更信号を出力する。その場旋回成分算出部５６は、変更信号が入力されたら、その場旋回成分を０とする。すなわち、その場旋回成分算出部５６は、回転速度が０となるその場旋回成分を合成部５７に出力する。これにより、その場旋回成分が０となった状態で、合成部５７が合成処理を行う。換言すると、合成部５７は、並進成分と旋回成分のみを合成する。
【００５６】
もちろん、入力モーメント値Ｍｙ'ではなく、ヨー軸周りのモーメントＭｙが変更部５８に入力されていてもよい。すなわち、変更部５８は、モーメントＭｙの値に応じて、前進入力か後退入力かを判別すればよい。そして、変更部５８は、この判別結果に応じた変更信号をその場旋回成分算出部５６に出力する。これにより、その場旋回成分算出部５６は、前進入力か後退入力かに応じて、制御モードを切換える。すなわち、その場旋回成分算出部５６は、ヨー軸周りのモーメントＭｙが正か負かに応じて、その場旋回成分の算出処理を変更する。ヨー軸周りのモーメントＭｙが正の場合、通常の演算処理でその場旋回成分を算出し、負の場合、モーメントＭｙの値によらず、その場旋回成分を０とする。これにより、搭乗者が後方を確認しながら、真直ぐ後退することができる。搭乗者の意図する移動が可能になり、操作性を向上することができる。もちろん、入力モーメント値Ｍｘ'による旋回入力は、後退時の位置合わせのため、受け付けられている。このように、搭乗者が後傾姿勢となる後退入力場合は、その場旋回成分が無効となるように制御モードを切換える。
【００５７】
なお、後退入力が入力された場合であっても、その場旋回成分を完全に０としなくてもよい。すなわち、後退入力時におけるその場旋回成分が前進入力時におけるその場旋回成分よりも小さくなるような演算処理をその場旋回成分算出部５６が行えばよい。絶対値の等しい入力モーメント値Ｍｚ'が入力された場合において、後退入力時のその場旋回成分が、前進入力時のその場旋回成分よりも小さくなる。これにより、直進後退からの進行方向のずれを小さくすることができる。よって、操作者の意図に近い移動を行うことができ、操作性を向上することができる。例えば、その場旋回成分算出部５６における演算処理を変更部５８からの変更信号に応じて、制御モードを切換えればよい。そして、合成部５７で合成された合成値に対するその場旋回成分の寄与度が、前進入力時よりも後退入力時の方が弱くなっていればよい。すなわち、指令値に対する入力モーメント値Ｍｚ'の影響が小さくなっていればよい。
【００５８】
このように、入力モーメント値Ｍｚ'が負の場合では、入力モーメント値Ｍｚ'が正の場合と比べて、その場旋回成分の値が制限される。すなわち、ピッチ軸周りのモーメントＭｙの値に応じて、合成部５７で合成される際のその場旋回成分の値が制限される。なお、制御モードの切換える際のしきい値は０としたが、任意の値をしきい値としてもよい。例えば、後退入力がある一定以上大きくなったときに、その場旋回成分を制限してもよい。
【００５９】
次に、本実施の形態にかかる移動体１の制御方法について、図８を用いて説明する。図８は、移動体１の制御方法を示すフローチャートである。図８では、指令値を出力する１サイクルの制御を示している。
【００６０】
まず、力センサ９によって、モーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを測定する（ステップＳ１０１）。そして、センサ処理部５３が、モーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚに基づいて、入力モーメント値Ｍｘ'、Ｍｙ'、Ｍｚ'を算出する（ステップＳ１０２）。すなわち、モーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを入力モーメント値Ｍｘ'、Ｍｙ'、Ｍｚ'に変換する。
【００６１】
次に、入力モーメント値Ｍｙ'が正であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。すなわち、搭乗者が前傾姿勢となり前進入力を行っているか、後傾姿勢となって後退入力を行っているかを判別する。そして、入力モーメント値Ｍｙ'が正である場合（ステップＳ１０３のＹ）、入力モーメント値Ｍｘ'を旋回成分に変換し、入力モーメント値Ｍｙ'を並進成分に変換し、入力モーメント値Ｍｚ'をその場旋回成分に変換する（ステップＳ１０４）。すなわち、入力モーメント値Ｍｙ'が正であれば、前進入力が行われていると判定して、通常の制御モードで、各成分を算出する。これにより、並進成分、及び旋回成分とともに、その場旋回成分が算出される。
【００６２】
一方、入力モーメント値Ｍｙ'が負である場合（ステップＳ１０３のＮ）、入力モーメント値Ｍｘ'を旋回成分に変換し、入力モーメント値Ｍｙ'を並進成分に変換する（ステップＳ１０５）。すなわち、入力モーメント値Ｍｚ'の値に関わらず、その場旋回成分を０として算出する。このように、入力モーメント値Ｍｙ'が負であれば、後退入力が行われていると判定して、その場旋回成分を無効化する制御モードで、各成分を算出する。なお、各成分の算出は、並行して行われてもよく、順番に行われてもよい。
【００６３】
そして、合成部５７が各成分を合成する（ステップＳ１０６）。すなわち、各成分に対応する後輪６０２の回転速度を足し合わせる。これにより、左右の後輪６０２のそれぞれに対して、目標回転速度が算出される。ここで、入力モーメント値Ｍｚ'が正の場合、旋回成分、並進成分、及びその場旋回成分の３つの成分が合成される。一方、入力モーメント値Ｍｚ'が負の場合、旋回成分、並進成分の２つの成分のみが合成される。すなわち、その場旋回成分が０になっているため、合成部５７で算出される合成値に対する入力モーメント値Ｍｚ'の寄与度が０となる。
【００６４】
次に、ステップＳ１０６で合成された合成値に基づいて、指令値を出力する（ステップＳ１０７）。例えば、目標回転速度と、エンコーダの読み値の差分に対して、適当なフィードバックゲインを乗じて、指令値を算出する。これにより、例えば、回転トルクなどの指令値が算出される。そして、左右の後輪６０２を駆動するために、駆動モータ６０３に指令値を出力する。ここでは、右の駆動モータ６０３と、左の駆動モータ６０３にそれぞれ、指令値が入力されている。そして、車輪６が回転して、移動体１が搭乗者の意図する方向に移動する。
【００６５】
入力モーメント値Ｍｙ'が負の場合、その場旋回成分が０となっている。従って、後退入力時では、入力モーメント値Ｍｘ'が０になっていると、移動体１が真直ぐ後退する。一方、入力モーメント値Ｍｙ'が正の場合、その場旋回成分が考慮されて指令値が算出される。これにより、小回りがきくようになり、旋回半径を小さくすることができる。よって、搭乗者が意図する移動を行うことができ、操作性を向上することができる。
【００６６】
また、本発明は、車輪型の移動体１に限らず、歩行型の移動体においても適用可能である。あるいは、全方向車輪などを用いた移動体１であってもよい。すなわち、車台１３などの本体部を床面に対して移動させる移動機構が設けられているものであればよい。また、変更部５８からの変更信号に応じて、その場旋回成分を算出するための演算処理を切換えてなくてもよい。例えば、後方を撮影するカメラとそのカメラの画像をモニタするディスプレイがある場合、その場旋回成分を常時、有効としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施形態１にかかる移動体を模式的に示す正面図である。
【図２】本発明の実施形態１にかかる移動体を模式的に示す側面図である。
【図３】各軸周りの動作を説明するための図である。
【図４】移動体を移動させるための制御系を示すブロック図である。
【図５】移動体に対する入力とその移動方向の関係を示す上面図である。
【図６】後進時における移動体への入力とその移動方向の関係を示す上面図である。
【図７】実施形態１にかかる移動体の制御方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６８】
１ 移動体
２ フレーム部
３ 搭乗部
６ 車輪
６０１ 前輪
６０２ 後輪
６０３ 駆動モータ
６０３ａ エンコーダ
８ 搭乗席
８ａ 座面
９ 力センサ
１０ フットレスト
１１ 筐体
１３ 車台
５１ 制御計算部
５２ バッテリ
５３ センサ処理部
５４ 旋回成分算出部
５５ 並進成分算出部
５６ その場旋回成分算出部
５７ 合成部
５８ 変更部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体、及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、搭乗者を搭乗させた状態で移動する移動体が開発されている（特許文献１、２）。例えば、特許文献１〜３では、搭乗者が搭乗する搭乗面（座面）に力センサ（圧力センサ）を設けている。そして、力センサからの出力によって、車輪を駆動している。すなわち、力センサが操作手段となって、入力が行われている。
【０００３】
特許文献１の移動体では、進みたい方向に体重をかけることで移動している。例えば、前方に進みたい場合、搭乗者が上体を前方に傾ける。すなわち、搭乗者が前傾姿勢になる。そして、前傾姿勢になると搭乗席に加わる力が変化する。そして、この力及びモーメントを力センサで検出する。力センサの検出結果によって、球状タイヤを駆動している。特許文献１の図１４には、搭乗者が搭乗席に座った状態で、倒立振子制御を行っている。特許文献２には、車椅子型の移動体が開示されている。この移動体には、椅子とフットレストが設けられている。
【０００４】
また、特許文献３には、利用者の動作を能動的に検知して、それに応じて自律的に動作する移動体が開示されている。例えば、複数の圧力センサによって、利用者の重心を計算している。この重心位置に応じて、車椅子形状の移動体が動作している（図２）。
【０００５】
さらに、特許文献４では、２足歩行型の移動体を動作させるためのインタフェイス装置が開示されている。このインタフェイス装置は、椅子型形状を有している。そして、椅子の背面と座面に複数の力センサを設けている。４つの力センサによって、搭乗者の骨盤旋回を検知して、歩行意思を推定している。そして、力センサによって推定された歩行意志に応じて両脚を駆動している。また、このインタフェイス装置には、足置き台が設けられている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２８２１６０号公報
【特許文献２】特開平１０−２３６１３号公報
【特許文献３】特開平１１−１９８０７５号公報
【特許文献４】特開平７−１３６９５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１〜３では、実際に移動体に搭乗している搭乗者の姿勢によって、移動している。これにより、実際に移動している環境に応じた操作が可能になる。例えば、搭乗者は、以下のように操作を行うことができる。前進したい場合、搭乗者が前方に上体を移動させる。すなわち、搭乗者が前傾姿勢になる。すると、重心位置が前方になって、力センサに加わる力が変化する。これにより、センサが前進入力を検知する。反対に、後方に移動したい場合は、搭乗者が後傾姿勢になる。すると、重心位置が後方になり、後傾入力が検知される。また、左右に移動する場合は、搭乗者が左右方向に重心を移動する。これにより、左右の旋回入力が検知される。このように、旋回入力、前進入力、後退入力に応じて移動することができる。
【０００８】
例えば、特許文献２では、４つの圧力センサを設けている。そして、前後の圧力センサの荷重差に応じて、前進入力、又は後退入力を行っている。また、左右の圧力センサへの荷重差に応じて、左右の旋回入力を行っている。そして、前進入力又は後退入力に、旋回入力が組み合わされることで、斜め方向への移動が可能となる。
【０００９】
また、特許文献４では、座部と背もたれ部に２つのセンサを設けている。そして、4つのセンサに加えられる力を検出して、力の方向を検知している。そして、搭乗者の腰椎を中心とした回転運動を検出することで、歩行動作を検出している。具体的には、腰部の腰椎を中心とした回旋方向に応じて、前に出す足を決めている。すなわち、腰部の回旋方向を反転させることで、右足と左足が交互に前に出ることになる。
【００１０】
しかしながら、上記の特許文献では、その場で旋回することができない。すなわち、力センサで、その場旋回成分の入力を検知することができない。従って、搭乗者が、その場で旋回したい場合でも、旋回半径が大きくなってしまうという問題点がある。
【００１１】
このように、従来の移動体では、搭乗者の意図通りに、操作することができないという問題点がある。
【００１２】
本発明は、高い操作性を有する移動体、及びその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】
【００１３】
本発明の第１の態様に係る移動体は、搭乗者が搭乗する搭乗部と、前記搭乗部を支持する本体部と、前記本体部を移動させる移動機構と、前記搭乗部の搭乗面に加わる力に応じて、ヨー軸周りのモーメント、ピッチ軸周りのモーメント、及びロール軸周りのモーメントに対応する計測信号を出力するセンサと、前記ピッチ軸周りのモーメントに基づいて、並進成分を算出する並進成分算出部と、前記ロール軸周りのモーメントに基づいて、旋回成分を算出する旋回成分算出部と、前記ヨー軸周りのモーメントに基づいて、その場旋回成分を算出するその場旋回成分算出部と、前記並進成分と前記旋回成分と前記その場旋回成分とを合成して、前記移動機構を駆動するための指令値を算出する合成部と、を備えるものである。これにより、ヨー軸周りのモーメントから、その場旋回成分を算出することができるため、より操作性を向上することができる。
【００１４】
本発明の第２の態様に係る移動体は、上記の移動体であって、前記ピッチ軸周りのモーメントの値に応じて、前記合成部で合成される前記その場旋回成分の値を制限することを特徴とするものである。これにより、搭乗者の腰のひねりに応じて、その場旋回成分が制限されるため、搭乗者が意図しない方向に、移動体が移動するのを防ぐことができる。よって、操作性をより向上することができる。
【００１５】
本発明の第３の態様に係る移動体は、上記の移動体であって、前記搭乗者が後傾姿勢となって後退入力を操作した場合では、前記搭乗者が前傾姿勢となって前進入力を操作した場合よりも、前記その場旋回成分の値が制限されていることを特徴とするものである。これにより、後退するときに搭乗者が後方を確認した場合でも、搭乗者の意図する方向に移動体が移動する。よって、操作性をより向上することができる。
【００１６】
本発明の第４の態様に係る移動体の制御方法は、搭乗者が搭乗する搭乗部と、前記搭乗部を支持する本体部と、前記本体部を移動させる移動機構と、を備える移動体の制御方法であって、前記搭乗部の搭乗面に加わる力に応じて、ヨー軸周りのモーメント、ピッチ軸周りのモーメント、及びロール軸周りのモーメントに対応する計測するステップと、前記計測するステップで計測されたピッチ軸周りのモーメントに基づいて並進成分を算出し、前記計測するステップで計測された前記ロール軸周りのモーメントに基づいて、旋回成分を算出し、前記計測するステップで計測された前記ヨー軸周りのモーメントに基づいて、その場旋回成分を算出し、前記並進成分と前記旋回成分と前記その場旋回成分とを合成して、前記移動機構を駆動するための指令値を算出するステップと、を備えるものである。これにより、ヨー軸周りにモーメントから、その場旋回成分を算出することができるため、より操作性を向上することができる。
【００１７】
本発明の第５の態様に係る移動体の制御方法は、上記の制御方法であって、前記ピッチ軸周りのモーメントの値に応じて、前記その場旋回成分の値を制限することを特徴とするものである。これにより、搭乗者の腰のひねりに応じて、その場旋回成分が制限されるため、搭乗者が意図しない方向に、移動体が移動するのを防ぐことができる。よって、操作性をより向上することができる。
【００１８】
本発明の第６の態様に係る移動体の制御方法は、上記の制御方法であって、前記搭乗者が後傾姿勢となって後退入力を操作した場合では、前記搭乗者が前傾姿勢となって前進入力を操作した場合よりも、前記その場旋回成分の値が制限されていることを特徴とするものである。これにより、後退するときに搭乗者が後方を確認した場合でも、搭乗者の意図する方向に移動体が移動する。よって、操作性をより向上することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、高い操作性を有する移動体、及びその制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係る小型車両の実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００２１】
発明の実施の形態１．
実施形態１に係る移動体１について、図１、図２を用いて説明する。図１は、移動体１の構成を模式的に示す正面図であり、図２は、移動体１の構成を模式的に示す側面図である。なお、図１、及び図２には、ＸＹＺの直交座標系が示されている。Ｙ軸が移動体１の左右方向を示し、Ｘ軸が移動体１の前後方向を示し、Ｚ軸が鉛直方向を示している。従って、Ｘ軸がロール軸に対応し、Ｙ軸がピッチ軸、Ｚ軸がヨー軸となる。図１、２において、＋Ｘ方向が移動体１の前方向であるとして説明する。
【００２２】
図１に示すように移動体１は、搭乗部３、及び車台１３を有している。車台１３は、移動体１の本体部であり、搭乗部３を支持している。車台１３は、車輪６、フットレスト１０、筐体１１、制御計算部５１、バッテリ５２等を備えている。車輪６は、前輪６０１と後輪６０２から構成されている。ここでは、1つの前輪６０１と２つの後輪６０２からなる３輪型の移動体１を説明する。
【００２３】
搭乗部３は、搭乗席８、及び力センサ９を有している。そして、搭乗席８の上面が座面８ａとなる。すなわち、座面８ａの上に、搭乗者が乗った状態で移動体１が移動する。座面８ａは平面でもよいし、臀部の形に合わせた形状となっていてもよい。さらに、搭乗席８に背もたれを設けてもよい。乗り心地を向上するために、搭乗席８にクッション性を持たせてもよい。移動体１が水平面上にある場合、座面８ａが水平になっている。力センサ９は、搭乗者の体重移動を検知する。すなわち、力センサ９は、搭乗席８の座面８ａに加わる力を検出する。そして、力センサ９は、座面８ａに加わる力に応じた計測信号を出力する。力センサ９は、搭乗席８の下側に配置される。すなわち、車台１３と搭乗席８の間に、力センサ９が配設されている。
【００２４】
力センサ９としては、例えば、６軸力センサを用いることができる。この場合、図３に示すように、３軸方向の並進力（ＳＦｘ、ＳＦｙ、ＳＦｚ）と各軸周りのモーメント（ＳＭｘ、ＳＭｙ、ＳＭｚ）を計測する。これらの並進力とモーメントは、力センサ９の中心を原点に取った値である。移動体１のセンサ処理部に出力する計測信号をモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）とし、それらのモーメントの制御座標原点を図２に示す（ａ、ｂ、ｃ）とすると、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚは、それぞれ以下のように表すことができる。
Ｍｘ＝ＳＭｘ＋ｃ・ＳＦｙ−ｂ・ＳＦｚ
Ｍｙ＝ＳＭｙ＋ａ・ＳＦｚ−ｃ・ＳＦｘ
Ｍｚ＝ＳＭｚ＋ｂ・ＳＦｘ−ａ・ＳＦｙ
なお、図３は、各軸を説明するための図である。力センサ９として、モーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を計測できるものであればよい。各軸周りのモーメント（ＳＭｘ、ＳＭｙ、ＳＭｚ）を計測できる３軸力センサを制御座標原点に配置して、Ｍｘ，Ｍｙ、Ｍｚを直接計測してもよい。また、１軸の力センサを３つ設けてもよい。さらには、歪みゲージや、ポテンショを用いたアナログジョイスティックなどでもよい。すなわち、直接的又は間接的に３軸周りのモーメントを計測できるものであればよい。そして、力センサ９は、３つのモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）を計測信号として出力する。
【００２５】
移動体１の本体部分となる車台１３には、車輪６、フットレスト１０、筐体１１、制御計算部５１、及びバッテリ５２等が設けられている。筐体１１は、箱形状を有しており、前方下側が突出している。そして、この突出した部分の上にフットレスト１０が配設されている。フットレスト１０は、搭乗席８の前方側に設けられている。従って、搭乗者が搭乗席８に搭乗した状態では、搭乗者の両足がフットレスト１０上に乗せられている。
【００２６】
筐体１１には、駆動モータ６０３、制御計算部５１、及びバッテリ５２が内蔵されている。バッテリ５２は、駆動モータ６０３、制御計算部５１、及び力センサ９などの各電気機器に電源を供給する。
【００２７】
筐体１１には、車輪６が回転可能に取り付けられている。ここでは、円盤上の車輪６が３つ設けられている。車輪６の一部は、筐体１１の下面よりも下側に突出している。従って、車輪６が床面と接触している。２つの後輪６０２は、筐体１１の後部に設けられている。後輪６０２は、駆動輪であり、駆動モータ６０３によって回転する。すなわち、駆動モータ６０３が駆動することによって、後輪６０２がその車軸周りに回転する。後輪６０２は、左右両側に設けられている。なお、後輪６０２には、その回転速度を読み取るためのエンコーダが内蔵されている。左の後輪６０２の車軸と、右の後輪６０２の車軸は、同一直線上に配置されている。
【００２８】
また、車輪６には前輪６０１が含まれている。そして、1つの前輪６０１が筐体１１の前部中央に設けられている。従って、Ｙ方向において、２つの後輪６０２の間に、前輪６０１が配設されている。Ｘ方向において、前輪６０１の車軸と後輪６０２の車軸との間に、搭乗席８が設けられている。前輪６０１は、従動輪（補助輪）であり、移動体１の移動に応じて回転する。すなわち、後輪６０２の回転によって移動する方向、及び速度に応じて、前輪６０１が回転する。このように、後輪６０２の前に補助輪である前輪６０１を設けることで、転倒を防ぐことができる。前輪６０１は、フットレスト１０の下方に設けられている。
【００２９】
制御計算部５１はＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、通信用のインタフェイスなどを有する演算処理装置である。また、制御計算部５１は、着脱可能なＨＤＤ、光ディスク、光磁気ディスク等を有し、各種プログラムや制御パラメータなどを記憶し、そのプログラムやデータを必要に応じてメモリ（不図示）等に供給する。もちろん、制御計算部５１は、物理的に一つの構成に限られるものではない。制御計算部５１には、力センサ９からの出力に応じて駆動モータ６０３の動作を制御するための処理を行う。
【００３０】
次に、移動体１を移動させるための制御系について、図４を用いて説明する。図４は、移動体１を移動させるための制御系の構成を示すブロック図である。まず、力センサ９によって、座面８ａにかかる力を検出する。ここでは、上記の通り、力センサ９は、計測信号であるモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚをセンサ処理部５３に出力する。センサ処理部５３は、力センサ９からの計測信号に対して処理を行う。すなわち、力センサ９から出力される計測信号に対応する計測データに対して、演算処理を行う。これにより、制御計算部５１に入力される入力モーメント値（Ｍｘ'、Ｍｙ'、Ｍｚ'）が算出される。なお、センサ処理部５３は、力センサ９に内蔵されていてもよく、制御計算部５１に内蔵されていてもよい。
【００３１】
このように、力センサ９で計測されたモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）が各軸周りの入力モーメント値（Ｍｘ'、Ｍｙ'、Ｍｚ'）に変換される。そして、入力モーメント値が各後輪６０２を動作させるために入力される入力値となる。このように、センサ処理部５３は、各軸毎に入力値を算出する。入力モーメント値の大きさは、モーメントの大きさに応じて決まる。入力モーメント値の符号は、計測されたモーメントによって決まる。すなわち、モーメントが正の場合、入力モーメント値も正となり、モーメントが負の場合、入力モーメント値も負となる。例えば、モーメントＭｘが正の場合、入力モーメント値Ｍｘ'も正となる。従って、この入力モーメント値が搭乗者の意図する操作に対応する入力値となる。
【００３２】
制御計算部５１は、入力モーメント値に基づいて、制御計算を行う。これにより、駆動モータ６０３を駆動するための指令値が算出される。すなわち、制御計算部５１は、入力値に基づく指令値を各駆動モータ６０３に出力する。この制御計算部５１は、図４に示すように、旋回成分算出部５４と、並進成分算出部５５と、その場旋回成分算出部５６と、合成部５７と、変更部５８と、を有している。
【００３３】
旋回成分算出部５４には、入力モーメント値Ｍｘ'が入力される。旋回成分算出部５４は、この入力モーメント値Ｍｘ'に基づいて、指令値の旋回成分を算出する。すなわち、入力モーメント値Ｍｘ'に対して所定の演算処理を行って、ロール軸周りの入力モーメント値Ｍｘ'を旋回成分に変換する。例えば、旋回成分には、左右の後輪６０２の回転速度が含まれている。従って、旋回成分算出部５４は、入力モーメント値Ｍｘ'に対して単位変換を行い、回転速度を導出する。このように、ロール軸周りの入力モーメント値Ｍｘ'が移動体１に対する旋回入力となる。
【００３４】
同様に、並進成分算出部５５は、入力された入力モーメント値Ｍｙ'に基づいて、指令値の並進成分を算出する。すなわち、入力モーメント値Ｍｙ'に対して所定の演算処理を行って、ピッチ軸周りの入力モーメント値Ｍｙ'を並進成分に変換する。例えば、並進成分には、左右の後輪６０２の回転速度が含まれている。従って、並進成分算出部５５は、入力モーメント値Ｍｙ'に対して単位変換を行い、回転速度を導出する。このように、ピッチ軸周りの入力モーメント値Ｍｙ'が移動体１に対する並進入力となる。そして、入力モーメント値Ｍｙ'が正の場合、前進入力となり。負の場合、後退入力となる。
【００３５】
さらに、その場旋回成分算出部５６は、入力された入力モーメント値Ｍｚ'に基づいて、指令値のその場旋回成分を算出する。すなわち、入力モーメント値Ｍｚ'に対して所定の演算処理を行って、ヨー軸周りの入力モーメント値Ｍｚ'をその場旋回成分に変換する。例えば、その場旋回成分には、左右の後輪６０２の回転速度が含まれている。従って、その場旋回成分算出部５６は、入力モーメント値Ｍｚ'に対して単位変換を行い、回転速度を導出する。このように、ヨー軸周りの入力モーメント値Ｍｚ'が移動体１に対するその場旋回入力となる。
【００３６】
なお、並進成分は、２つの後輪６０２を同じ方向に同じ回転速度で回転させるための成分である。２つの後輪６０２が同じ方向に同じ速度で回転することで、移動体１が直進する。旋回成分、及びその場旋回成分が０で、並進成分のみの場合、２つの後輪６０２が同じ方向に同じ速度で回転する。この場合の回転方向は、入力モーメント値Ｍｙ'の符号によって、決まる。すなわち、モーメントＭｙが正の場合、後輪６０２が前方向に回転し、負の場合、後輪が後方向に回転する。そして、後輪６０２の回転速度は、入力モーメント値Ｍｙ'の大きさによってきまる。すなわち、計測されたモーメントＭｙに応じて、並進成分が算出される。搭乗者が前傾姿勢、又は後傾姿勢になることで、モーメントＭｙが入力される。そして、このモーメントＭｙが入力モーメント値Ｍｙ'に変換される。なお、入力モーメント値Ｍｙ'の絶対値が大きいほど、並進成分の絶対値が大きくなる。
【００３７】
旋回成分は、２つの後輪６０２を同じ方向に、異なる回転速度で回転させるための成分である。旋回成分に応じて、２つの後輪６０２が同じ方向に異なる速度で回転する。２つの後輪６０２の回転速度の差が、入力モーメント値Ｍｘ'によって決まる。換言すると、現在の移動方向からの相対的な移動方向は、入力モーメント値Ｍｘ'に応じて変化する。旋回成分によって舵角が決まる。例えば、搭乗者の重心位置の方向に、移動体１が移動するようになる。搭乗者が腰を左右に曲げることで、モーメントＭｘが入力される。そして、このモーメントＭｘが入力モーメント値Ｍｘ'に変換される。従って、モーメントＭｘに基づいて、旋回成分が算出される。なお、入力モーメント値Ｍｘ'が大きいほど、旋回成分が大きくなる。なお、入力モーメント値Ｍｘ'の絶対値が大きいほど、旋回成分の絶対値が大きくなる。
【００３８】
その場旋回成分は、２つの後輪６０２を反対方向に、同じ回転速度で回転させるための成分である。すなわち、２つの後輪６０２が同じ回転速度で反対方向に回転することで、移動体１がその場で旋回する。従って、旋回成分、及び並進成分が０で、その場旋回成分のみの場合、２つの後輪６０２が反対方向に同じ回転速度で回転する。この場合の回転方向は、入力モーメント値Ｍｚ'の符号によって、決まる。例えば、モーメントＭｚが正の場合、入力モーメント値Ｍｚ'も正の値となる。すると、右回りのその場旋回を行い、右の後輪６０２が前方向、左の後輪６０２が後方向に回転する。反対にモーメントＭｚが負の場合、入力モーメント値Ｍｚ'も負の値となる。よって、左回りのその場旋回を行い、左の後輪６０２が前方向、右の後輪６０２が後方向に回転する。
【００３９】
搭乗者が腰をひねることで、ヨー軸周りのモーメントＭｚが検出される。センサ処理部５３が、モーメントＭｚを入力モーメント値Ｍｚ'に変換する。このように、ヨー軸周りのモーメントＭｚに基づいて、その場旋回成分を算出している。なお、入力モーメント値Ｍｚ'の絶対値が大きいほど、その場旋回成分の絶対値が大きくなる。
【００４０】
並進成分、旋回成分、その場旋回成分の各成分には、例えば、左右の後輪６０２の回転速度が含まれている。もちろん、並進成分では、左右の後輪６０２の回転速度が同じ値になる。旋回成分では、左右の後輪６０２の回転速度が同じ方向で異なる値になる。その場旋回成分では、左右６０２の後輪の回転速度が反対方向で同じ値になる。そして、合成部５７は、並進成分、旋回成分、その場旋回成分を合成する。これにより、目標回転速度が算出される。具体的には、右の後輪６０２の回転速度を算出するために、並進成分、旋回成分、その場旋回成分のそれぞれに含まれる右の後輪６０２の回転速度を足し合わせる。同様に、左の後輪６０２についても、並進成分、旋回成分、その場旋回成分のそれぞれに含まれる左の後輪６０２の回転速度を足し合わせる。これにより、左右の後輪６０２に対する目標回転角度が算出される。
【００４１】
より具体的には、旋回成分では、右の回転速度が１０であり、左の回転速度が２０であるとする。また、その場旋回成分では、右の回転速度が−５であり、左の回転速度が５であるとする。この場合、旋回成分とその場旋回成分とを合成すると、右の回転速度が５となり、左の回転速度が２５となる。ここでは、前方向の回転を正の値、後方向の回転を負の値とする。なお、回転速度の単位は任意の単位である。さらに、並進成分では、左右の回転速度が２０とすると、最終的な目標回転速度は、右で２５、左で４５となる。このように、各成分の回転速度を左右の後輪６０２毎に合算する。これにより、左右それぞれの後輪６０２に対して、目標回転速度を算出することができる。なお、合成する際に、各成分の値に対して適当なゲインを乗じてもよい。さらに、モーメントを入力モーメント値に変換する際におけるゲイン、あるいは、入力モーメント値を各成分に変換する際における、ゲインを変えてもよい。すなわち、モーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚから各成分を算出するためのゲインを成分毎に、変えてもよい。
【００４２】
そして、制御計算部５１は、目標回転速度に応じた指令値を出力する。左右の後輪６０２に対する指令値は、駆動モータ６０３に出力される。なお、本実施形態では、左右の後輪６０２が駆動輪であるため、２つの駆動モータ６０３が図示されている。そして、一方の駆動モータ６０３が右の後輪６０２を回転させ、他方の駆動モータ６０３が左の後輪６０２を回転させる。駆動モータ６０３は、指令値に基づいて後輪６０２を回転させる。すなわち、駆動モータ６０３は、駆動輪である後輪６０２を回転させるためのトルクを与える。もちろん、駆動モータ６０３は、減速機などを介して、後輪６０２に回転トルクを与えてもよい。例えば、制御計算部５１から、指令値として指令トルクが入力された場合、その指令トルクで、駆動モータ６０３が回転する。これにより、後輪６０２が回転して、移動体１が所望の方向に、所望の速度で移動する。もちろん、指令値は、トルクに限らず、回転速度、回転数であってもよい。
【００４３】
さらに、駆動モータ６０３にはそれぞれ、エンコーダ６０３ａが内蔵されている。このエンコーダ６０３ａは、駆動モータ６０３の回転速度等を検出する。そして、検出された回転速度は、制御計算部５１に入力される。制御計算部５１は、現在の回転速度と、目標となる回転速度とに基づいてフィードバック制御を行う。例えば、目標回転速度と現在回転速度との差分に、適当なフィードバックゲインを乗じて、指令値を算出する。もちろん、左右の駆動モータ６０３に出力される指令値は、異なる値であってもよい。すなわち、前方、又は後方に直進する場合は、左右の後輪６０２の回転速度が同じになるように制御し、左右に旋回する場合は、左右の後輪６０２が、同じ方向で異なる回転速度になるよう制御する。また、その場旋回する場合は、左右の後輪６０２が反対方向に回転するように制御する。
【００４４】
例えば、搭乗者が前傾姿勢になると、搭乗席８にピッチ軸周りの力が加わる。すると、力センサ９が＋Ｍｙのモーメントを検出する（図３参照）。この＋Ｍｙのモーメントによって、センサ処理部５３は、移動体１を並進させるための入力モーメント値Ｍｙ'を算出する。同様に、センサ処理部５３は、Ｍｘに基づいて入力モーメント値Ｍｘ'を算出し、Ｍｚに基づいて、入力モーメント値Ｍｚ'を算出する。すなわち、センサ処理部５３は、計測値を入力モーメント値に変換する。これらは、それぞれの独立に算出される。すなわち、Ｍｘ'は、Ｍｘのみによって決まり、Ｍｙ'は、Ｍｙのみによって決まり、Ｍｚ'は、Ｍｚのみのよって決まる。このように、Ｍｘ'、Ｍｙ'、Ｍｚ'はそれぞれ独立している。
【００４５】
制御計算部５１が、入力モーメント値から並進成分、旋回成分、その場旋回成分に変換する。そして、合成部５７が３つの成分を合成する。合成部５７が算出した合成値とエンコーダの読み値に基づいて、指令値を算出する。これにより、左右の後輪６０２が所望の回転速度で回転する。同様に、右方向に曲がる場合は、搭乗者が右側に体重移動する。すなわち、腰を左右に曲げる。これにより、搭乗席にロール軸周りの力が加わり、力センサ９が＋Ｍｘのモーメントを検出する。この＋Ｍｘのモーメントによって、センサ処理部５３は、移動体１を右方向に旋回させるための入力モーメント値Ｍｘ'を算出する。すなわち、移動体１が移動する方向に対応する舵角が求められる。そして、入力モーメント値に応じて、制御計算部５１が指令値を算出する。この指令値に応じて、左右の後輪６０２が異なる回転速度で回転する。すなわち、左側の後輪６０２が右側の後輪６０２よりも速い回転速度で回転する。
【００４６】
また、その場旋回する場合は、搭乗者が腰をねじる。これにより、搭乗席にヨー軸周りの力が加わり、力センサ９が＋Ｍｚのモーメントを検出する。この＋Ｍｚのモーメントによって、センサ処理部５３は、移動体１を右周りにその場旋回させるための入力モーメント値Ｍｚ'を算出する。そして、入力モーメント値に応じて、制御計算部５１が指令値を算出する。この指令値に応じて、左右の後輪６０２が同じ回転速度で反対に回転する。
【００４７】
このように、Ｍｙ'に基づいて、前後方向の並進移動に対する成分が求められる。すなわち、左右の後輪６０２を同じ方向に同じ回転速度で駆動するための並進成分の値が決定する。従って、Ｍｙ'、すなわち、Ｍｙが大きいほど、移動体１の移動速度が速くなる。Ｍｘ'に基づいて、移動方向、すなわち、舵角に対する成分が求められる。すなわち、左右の後輪６０２の回転速度差が決定される。従って、Ｍｘ'、すなわち、Ｍｘが大きいほど、左右の後輪６０２の回転速度の違いが大きくなる。
【００４８】
Ｍｚ'に基づいて、その場旋回に対する成分が求められる。すなわち、左右の後輪６０２を反対方向に回転させて、その場旋回するための成分が求められる。従って、Ｍｚ'、すなわち、Ｍｚが大きいほど、左右の後輪６０２における反対方向の回転速度が大きくなる。例えば、Ｍｚ'が正の場合、上側から見て、左周りにその場旋回するその場旋回成分の値が算出される。すなわち、右側の後輪６０２が前方に回転し、左側の後輪６０２が同じ回転速度で後方に回転することとなる。
【００４９】
そして、それぞれの入力モーメント値Ｍｘ'、Ｍｙ'、Ｍｚ'に基づいて算出された３つの成分を合成して、２つの後輪６０２を駆動するための指令値を算出する。これにより、左右の後輪６０２に対する指令値がそれぞれ算出される。駆動トルクや回転速度などが指令値として算出される。すなわち、入力モーメント値Ｍｘ'、Ｍｙ'、Ｍｚ'に対応する成分毎に算出された値を合成することで左右の後輪６０２に対する指令値が算出される。このように、計測されたモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚに基づいて、入力モーメント値Ｍｘ'、Ｍｙ'、Ｍｚ'が算出される。そして、算出された入力モーメント値Ｍｘ'、Ｍｙ'、Ｍｚ'によって、移動体１が移動する。ここでは、図５に示すように、各軸周りに対する入力モーメント値Ｍｘ'、Ｍｙ'、Ｍｚ'から、並進成分、旋回成分、その場旋回成分が求められる。搭乗者の体重移動によるモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚによって、移動体１の移動方向、及び移動速度が決定する。
【００５０】
このように、搭乗者の動作によって、移動体１を移動させるための入力が行われる。すなわち、搭乗者の姿勢変化によって、各軸周りのモーメントが検出される。そして、これらのモーメントの計測値に基づいて、移動体１が移動する。これにより、搭乗者が、移動体１を簡便に操作することができる。すなわち、ジョイスティックやハンドルなどの操作が不要となり、体重移動のみでの操作が可能となる。また、モーメントＭｚに基づいて、その場旋回成分を算出している。これにより、左右の後輪６０２の回転速度の差が大きくなるため、小回りが効くようになる。よって、旋回半径を小さくすることができる。搭乗者の意図する移動が可能になり、操作性を向上することができる。また、モーメントＭｚのみを入力することで、その場での旋回が可能になる。これにより、高い操作性を有する移動体１を提供することができる。
【００５１】
並進成分、旋回成分、その場旋回成分は、それぞれ独立して算出されている。すなわち、並進成分は、入力モーメント値Ｍｙ'、すなわち、ピッチ軸周りのモーメントＭｙのみに依存し、旋回成分は、入力モーメント値Ｍｘ'、すなわち、ロール軸周りのモーメントＭｘのみに依存し、その場旋回成分は、入力モーメント値Ｍｚ'、すなわち、ヨー軸周りのモーメントＭｚのみに依存している。そして、独立する３つの成分を合成している。これにより、簡便に指令値を算出することができる。
【００５２】
さらに、本実施の形態では、図４に示すように、変更部５８が設けられている。変更部５８は、制御計算部５１内に設けられている。変更部５８は、その場旋回成分算出部５６における演算処理を変更する。すなわち、変更部５８が、入力モーメント値をその場旋回成分に変換する際の変換式を変更する。この変更部５８の処理について説明する。
【００５３】
変更部５８には、ピッチ軸周りの入力モーメント値Ｍｙ'が入力されている。変更部５８は、ピッチ軸周りの入力モーメント値Ｍｙ'に基づいて、その場旋回成分算出部５６における処理を変更する。具体的には、入力モーメント値Ｍｙ'の値が正である場合と、負である場合とで、処理を切換えている。すなわち、搭乗者が前傾姿勢となって前方向に移動する場合と、搭乗者が後傾姿勢となって後方向に移動する場合とで、処理が変更される。
【００５４】
例えば、真後ろに直進しようとする場合、搭乗者が後傾姿勢となって、負の入力モーメント値Ｍｙ'を入力する。さらに、搭乗者は、確認のため、後ろを振り向く。すなわち、後方に障害物などがないかを確認するために、腰を腰椎周りに回転させて、顔を後方に向ける。すると、搭乗者が後方に直進しようとしていても、力センサ９によって、ヨー軸回りのモーメントＭｚが検出されてしまう。このように、真後ろに後退しようとする場合、搭乗者が後傾姿勢になるだけでなく、腰部が回転してします。これにより、負のモーメントＭｙとともに、モーメントＭｚが検出されてしまう。図６に示すように、入力モーメント値Ｍｙ'だけでなく、入力モーメント値Ｍｚ'を入力してしまう。後退入力だけでなく、その場旋回入力（Ｍｚ'）が入力されてしまうので、実際には、斜め後方に移動してしまう。
【００５５】
変更部５８では、後退入力時に、その場旋回入力がなされるのを防ぐために、その場旋回成分算出部５６における処理を変更している。具体的には、入力モーメント値Ｍｙ'が負の場合、その場旋回入力（Ｍｚ'）をキャンセルする。すなわち、変更部５８は、入力モーメント値Ｍｙ'が負であるか、正であるかを判定する。そして、入力モーメント値Ｍｙ'が負の場合、変更部５８は。その場旋回成分算出部５６に変更信号を出力する。その場旋回成分算出部５６は、変更信号が入力されたら、その場旋回成分を０とする。すなわち、その場旋回成分算出部５６は、回転速度が０となるその場旋回成分を合成部５７に出力する。これにより、その場旋回成分が０となった状態で、合成部５７が合成処理を行う。換言すると、合成部５７は、並進成分と旋回成分のみを合成する。
【００５６】
もちろん、入力モーメント値Ｍｙ'ではなく、ヨー軸周りのモーメントＭｙが変更部５８に入力されていてもよい。すなわち、変更部５８は、モーメントＭｙの値に応じて、前進入力か後退入力かを判別すればよい。そして、変更部５８は、この判別結果に応じた変更信号をその場旋回成分算出部５６に出力する。これにより、その場旋回成分算出部５６は、前進入力か後退入力かに応じて、制御モードを切換える。すなわち、その場旋回成分算出部５６は、ヨー軸周りのモーメントＭｙが正か負かに応じて、その場旋回成分の算出処理を変更する。ヨー軸周りのモーメントＭｙが正の場合、通常の演算処理でその場旋回成分を算出し、負の場合、モーメントＭｙの値によらず、その場旋回成分を０とする。これにより、搭乗者が後方を確認しながら、真直ぐ後退することができる。搭乗者の意図する移動が可能になり、操作性を向上することができる。もちろん、入力モーメント値Ｍｘ'による旋回入力は、後退時の位置合わせのため、受け付けられている。このように、搭乗者が後傾姿勢となる後退入力場合は、その場旋回成分が無効となるように制御モードを切換える。
【００５７】
なお、後退入力が入力された場合であっても、その場旋回成分を完全に０としなくてもよい。すなわち、後退入力時におけるその場旋回成分が前進入力時におけるその場旋回成分よりも小さくなるような演算処理をその場旋回成分算出部５６が行えばよい。絶対値の等しい入力モーメント値Ｍｚ'が入力された場合において、後退入力時のその場旋回成分が、前進入力時のその場旋回成分よりも小さくなる。これにより、直進後退からの進行方向のずれを小さくすることができる。よって、操作者の意図に近い移動を行うことができ、操作性を向上することができる。例えば、その場旋回成分算出部５６における演算処理を変更部５８からの変更信号に応じて、制御モードを切換えればよい。そして、合成部５７で合成された合成値に対するその場旋回成分の寄与度が、前進入力時よりも後退入力時の方が弱くなっていればよい。すなわち、指令値に対する入力モーメント値Ｍｚ'の影響が小さくなっていればよい。
【００５８】
このように、入力モーメント値Ｍｚ'が負の場合では、入力モーメント値Ｍｚ'が正の場合と比べて、その場旋回成分の値が制限される。すなわち、ピッチ軸周りのモーメントＭｙの値に応じて、合成部５７で合成される際のその場旋回成分の値が制限される。なお、制御モードの切換える際のしきい値は０としたが、任意の値をしきい値としてもよい。例えば、後退入力がある一定以上大きくなったときに、その場旋回成分を制限してもよい。
【００５９】
次に、本実施の形態にかかる移動体１の制御方法について、図８を用いて説明する。図８は、移動体１の制御方法を示すフローチャートである。図８では、指令値を出力する１サイクルの制御を示している。
【００６０】
まず、力センサ９によって、モーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを測定する（ステップＳ１０１）。そして、センサ処理部５３が、モーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚに基づいて、入力モーメント値Ｍｘ'、Ｍｙ'、Ｍｚ'を算出する（ステップＳ１０２）。すなわち、モーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを入力モーメント値Ｍｘ'、Ｍｙ'、Ｍｚ'に変換する。
【００６１】
次に、入力モーメント値Ｍｙ'が正であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。すなわち、搭乗者が前傾姿勢となり前進入力を行っているか、後傾姿勢となって後退入力を行っているかを判別する。そして、入力モーメント値Ｍｙ'が正である場合（ステップＳ１０３のＹ）、入力モーメント値Ｍｘ'を旋回成分に変換し、入力モーメント値Ｍｙ'を並進成分に変換し、入力モーメント値Ｍｚ'をその場旋回成分に変換する（ステップＳ１０４）。すなわち、入力モーメント値Ｍｙ'が正であれば、前進入力が行われていると判定して、通常の制御モードで、各成分を算出する。これにより、並進成分、及び旋回成分とともに、その場旋回成分が算出される。
【００６２】
一方、入力モーメント値Ｍｙ'が負である場合（ステップＳ１０３のＮ）、入力モーメント値Ｍｘ'を旋回成分に変換し、入力モーメント値Ｍｙ'を並進成分に変換する（ステップＳ１０５）。すなわち、入力モーメント値Ｍｚ'の値に関わらず、その場旋回成分を０として算出する。このように、入力モーメント値Ｍｙ'が負であれば、後退入力が行われていると判定して、その場旋回成分を無効化する制御モードで、各成分を算出する。なお、各成分の算出は、並行して行われてもよく、順番に行われてもよい。
【００６３】
そして、合成部５７が各成分を合成する（ステップＳ１０６）。すなわち、各成分に対応する後輪６０２の回転速度を足し合わせる。これにより、左右の後輪６０２のそれぞれに対して、目標回転速度が算出される。ここで、入力モーメント値Ｍｚ'が正の場合、旋回成分、並進成分、及びその場旋回成分の３つの成分が合成される。一方、入力モーメント値Ｍｚ'が負の場合、旋回成分、並進成分の２つの成分のみが合成される。すなわち、その場旋回成分が０になっているため、合成部５７で算出される合成値に対する入力モーメント値Ｍｚ'の寄与度が０となる。
【００６４】
次に、ステップＳ１０６で合成された合成値に基づいて、指令値を出力する（ステップＳ１０７）。例えば、目標回転速度と、エンコーダの読み値の差分に対して、適当なフィードバックゲインを乗じて、指令値を算出する。これにより、例えば、回転トルクなどの指令値が算出される。そして、左右の後輪６０２を駆動するために、駆動モータ６０３に指令値を出力する。ここでは、右の駆動モータ６０３と、左の駆動モータ６０３にそれぞれ、指令値が入力されている。そして、車輪６が回転して、移動体１が搭乗者の意図する方向に移動する。
【００６５】
入力モーメント値Ｍｙ'が負の場合、その場旋回成分が０となっている。従って、後退入力時では、入力モーメント値Ｍｘ'が０になっていると、移動体１が真直ぐ後退する。一方、入力モーメント値Ｍｙ'が正の場合、その場旋回成分が考慮されて指令値が算出される。これにより、小回りがきくようになり、旋回半径を小さくすることができる。よって、搭乗者が意図する移動を行うことができ、操作性を向上することができる。
【００６６】
また、本発明は、車輪型の移動体１に限らず、歩行型の移動体においても適用可能である。あるいは、全方向車輪などを用いた移動体１であってもよい。すなわち、車台１３などの本体部を床面に対して移動させる移動機構が設けられているものであればよい。また、変更部５８からの変更信号に応じて、その場旋回成分を算出するための演算処理を切換えてなくてもよい。例えば、後方を撮影するカメラとそのカメラの画像をモニタするディスプレイがある場合、その場旋回成分を常時、有効としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施形態１にかかる移動体を模式的に示す正面図である。
【図２】本発明の実施形態１にかかる移動体を模式的に示す側面図である。
【図３】各軸周りの動作を説明するための図である。
【図４】移動体を移動させるための制御系を示すブロック図である。
【図５】移動体に対する入力とその移動方向の関係を示す上面図である。
【図６】後進時における移動体への入力とその移動方向の関係を示す上面図である。
【図７】実施形態１にかかる移動体の制御方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６８】
１ 移動体
２ フレーム部
３ 搭乗部
６ 車輪
６０１ 前輪
６０２ 後輪
６０３ 駆動モータ
６０３ａ エンコーダ
８ 搭乗席
８ａ 座面
９ 力センサ
１０ フットレスト
１１ 筐体
１３ 車台
５１ 制御計算部
５２ バッテリ
５３ センサ処理部
５４ 旋回成分算出部
５５ 並進成分算出部
５６ その場旋回成分算出部
５７ 合成部
５８ 変更部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
搭乗者が搭乗する搭乗部と、
前記搭乗部を支持する本体部と、
前記本体部を移動させる移動機構と、
前記搭乗部の搭乗面に加わる力に応じて、ヨー軸周りのモーメント、ピッチ軸周りのモーメント、及びロール軸周りのモーメントに対応する計測信号を出力するセンサと、
前記ピッチ軸周りのモーメントに基づいて、並進成分を算出する並進成分算出部と、
前記ロール軸周りのモーメントに基づいて、旋回成分を算出する旋回成分算出部と、
前記ヨー軸周りのモーメントに基づいて、その場旋回成分を算出するその場旋回成分算出部と、
前記並進成分と前記旋回成分と前記その場旋回成分とを合成して、前記移動機構を駆動するための指令値を算出する合成部と、を備える移動体。
【請求項２】
前記ピッチ軸周りのモーメントの値に応じて、前記合成部で合成される前記その場旋回成分の値を制限することを特徴とする請求項１に記載の移動体。
【請求項３】
前記搭乗者が後傾姿勢となって後退入力を操作した場合では、前記搭乗者が前傾姿勢となって前進入力を操作した場合よりも、前記その場旋回成分の値が制限されていることを特徴とする請求項２に記載の移動体。
【請求項４】
搭乗者が搭乗する搭乗部と、
前記搭乗部を支持する本体部と、
前記本体部を移動させる移動機構と、を備える移動体の制御方法であって、
前記搭乗部の搭乗面に加わる力に応じて、ヨー軸周りのモーメント、ピッチ軸周りのモーメント、及びロール軸周りのモーメントに対応する計測するステップと、
前記計測するステップで計測されたピッチ軸周りのモーメントに基づいて並進成分を算出し、
前記計測するステップで計測された前記ロール軸周りのモーメントに基づいて、旋回成分を算出し、
前記計測するステップで計測された前記ヨー軸周りのモーメントに基づいて、その場旋回成分を算出し、
前記並進成分と前記旋回成分と前記その場旋回成分とを合成して、前記移動機構を駆動するための指令値を算出するステップと、を備える移動体の制御方法。
【請求項５】
前記ピッチ軸周りのモーメントの値に応じて、前記その場旋回成分の値を制限することを特徴とする請求項４に記載の移動体の制御方法。
【請求項６】
前記搭乗者が後傾姿勢となって後退入力を操作した場合では、前記搭乗者が前傾姿勢となって前進入力を操作した場合よりも、前記その場旋回成分の値が制限されていることを特徴とする請求項５に記載の移動体の制御方法。
【請求項１】
搭乗者が搭乗する搭乗部と、
前記搭乗部を支持する本体部と、
前記本体部を移動させる移動機構と、
前記搭乗部の搭乗面に加わる力に応じて、ヨー軸周りのモーメント、ピッチ軸周りのモーメント、及びロール軸周りのモーメントに対応する計測信号を出力するセンサと、
前記ピッチ軸周りのモーメントに基づいて、並進成分を算出する並進成分算出部と、
前記ロール軸周りのモーメントに基づいて、旋回成分を算出する旋回成分算出部と、
前記ヨー軸周りのモーメントに基づいて、その場旋回成分を算出するその場旋回成分算出部と、
前記並進成分と前記旋回成分と前記その場旋回成分とを合成して、前記移動機構を駆動するための指令値を算出する合成部と、を備える移動体。
【請求項２】
前記ピッチ軸周りのモーメントの値に応じて、前記合成部で合成される前記その場旋回成分の値を制限することを特徴とする請求項１に記載の移動体。
【請求項３】
前記搭乗者が後傾姿勢となって後退入力を操作した場合では、前記搭乗者が前傾姿勢となって前進入力を操作した場合よりも、前記その場旋回成分の値が制限されていることを特徴とする請求項２に記載の移動体。
【請求項４】
搭乗者が搭乗する搭乗部と、
前記搭乗部を支持する本体部と、
前記本体部を移動させる移動機構と、を備える移動体の制御方法であって、
前記搭乗部の搭乗面に加わる力に応じて、ヨー軸周りのモーメント、ピッチ軸周りのモーメント、及びロール軸周りのモーメントに対応する計測するステップと、
前記計測するステップで計測されたピッチ軸周りのモーメントに基づいて並進成分を算出し、
前記計測するステップで計測された前記ロール軸周りのモーメントに基づいて、旋回成分を算出し、
前記計測するステップで計測された前記ヨー軸周りのモーメントに基づいて、その場旋回成分を算出し、
前記並進成分と前記旋回成分と前記その場旋回成分とを合成して、前記移動機構を駆動するための指令値を算出するステップと、を備える移動体の制御方法。
【請求項５】
前記ピッチ軸周りのモーメントの値に応じて、前記その場旋回成分の値を制限することを特徴とする請求項４に記載の移動体の制御方法。
【請求項６】
前記搭乗者が後傾姿勢となって後退入力を操作した場合では、前記搭乗者が前傾姿勢となって前進入力を操作した場合よりも、前記その場旋回成分の値が制限されていることを特徴とする請求項５に記載の移動体の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−６３６８４（Ｐ２０１０−６３６８４Ａ）
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３３５９３（Ｐ２００８−２３３５９３）
【出願日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、文部科学省、科学技術総合研究委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、文部科学省、科学技術総合研究委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
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