(57)【要約】【課題】装着者の歩行安定性を向上し、歩行を補助することができる歩行補助システムを提供する。【解決手段】ベルト５８は、走行面を移動可能な車輪体と、車輪体を駆動する駆動力を発生させるアクチュエータ装置７と、車輪体およびアクチュエータ装置７が組み付けられた基体とを備えた車両１ａ，１ｂを装着者の腰部に係止している。６軸力センサ５７は、車両１ａ，１ｂに加わる力を検出する。傾斜センサ５２及び開き角度センサ５９ａ，５９ｂは、車両１ａ，１ｂの姿勢に係る角度を検出する。制御ユニット５０は、６軸力センサ５７により検出した力及び傾斜センサ５２、開き角度センサ５９ａ，５９ｂにより検出した角度に基づいてアクチュエータ装置７を制御する。【選択図】図１０
2011062474.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走行面を移動可能な被駆動機構と、前記被駆動機構を駆動する駆動力を発生させる駆動部と、前記被駆動機構および前記駆動部が組み付けられた基体と、を有する倒立振子制御型の移動体を装着者の腰部に少なくとも２台以上係止することができる係止具と、
前記倒立振子制御型の移動体に加わる力を検出する力センサと、
前記倒立振子制御型の移動体の姿勢に係る角度を検出する角度センサと、
前記係止具に係止された少なくとも２台以上の前記倒立振子制御型の移動体と、
前記力センサにより検出した力及び前記角度センサにより検出した角度に基づいて前記駆動部を制御する制御装置と、
を備えた歩行補助システム。
【請求項２】
前記制御装置は、水平方向に対する前記倒立振子制御型の移動体間の開き角度を前記角度センサにより検出し、前記開き角度が一定に収束するように前記駆動部を制御する請求項１に記載の歩行補助システム。
【請求項３】
前記制御装置は、第１の時点及び第２の時点において、鉛直方向に対する前記倒立振子制御型の移動体の傾き角度を前記角度センサにより検出し、前記第２の時点で検出した前記傾き角度が、前記第１の時点で検出した前記傾き角度に収束するように前記駆動部を制御する請求項１に記載の歩行補助システム。
【請求項４】
前記制御装置は、前記力センサにより検出した力の周波数成分に応じて前記駆動部を制御する請求項１に記載の歩行補助システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行者の歩行を補助する歩行補助システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
床面上を全方向（２次元的な全方向）に移動可能な全方向移動車両としては、例えば、特許文献１、２に見られるものが本願出願人により提案されている。これらの特許文献１、２に見られる全方向移動車両にあっては、床面に接地しながら該床面上を全方向に移動可能な、球体状又は車輪状又はクローラ状の移動動作部と、該移動動作部を駆動する電動モータ等を有するアクチュエータ装置とが車両の基体に組付けられている。そして、この車両は、アクチュエータ装置により移動動作部を駆動することによって、床面上を移動する。
【０００３】
また、この種の全方向移動車両の移動動作を制御する技術としては、例えば特許文献３に見られる技術が本願出願人により提案されている。この技術では、車両の基体が球体状の移動動作部に対して前後・左右に傾動自在に設けられている。そして、基体の傾き角を計測し、この傾き角を所要の角度に保つように、移動動作部を駆動する電動モータのトルクを制御することによって、基体の傾動動作に応じて車両を移動させるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第０８／１３２７７８号パンフレット
【特許文献２】国際公開第０８／１３２７７９号パンフレット
【特許文献３】特許第３０７００１５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、バランス能力の低い人が歩行する場合、その人が歩行中に転倒する可能性がある。また、極端に体力が劣っている人が歩行する場合、その人にとって歩行が過負荷になる可能性がある。このような問題を解決するため、上記の全方向移動車両を歩行の補助に使用することが考えられるが、全方向移動車両に対して何の制御も行わなければ、歩行を安定させることができない。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、例えば全方向移動体のような移動体を用いることにより装着者の歩行安定性を向上し、歩行を補助することができる歩行補助システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題を解決するために、請求項１に記載した発明は、走行面（床面、路面、地面など）を移動可能な被駆動機構（例えば、車輪体５）と、前記被駆動機構を駆動する駆動力を発生させる駆動部（例えば、アクチュエータ装置７）と、前記被駆動機構および前記駆動部が組み付けられた基体（例えば、基体９）と、を有する倒立振子制御型の移動体（例えば、全方向移動車両１，１ａ，１ｂ）を装着者の腰部に少なくとも２台以上係止することができる係止具（例えば、ベルト５８）と、前記倒立振子制御型の移動体に加わる力を検出する力センサ（例えば、６軸力センサ５７）と、前記倒立振子制御型の移動体の姿勢に係る角度を検出する角度センサ（例えば、傾斜センサ５２、開き角度センサ５９ａ，５９ｂ）と、前記係止具に係止された少なくとも２台以上の前記倒立振子制御型の移動体と、前記力センサにより検出した力及び前記角度センサにより検出した角度に基づいて前記駆動部を制御する制御装置（例えば、制御ユニット５０）と、を備えた歩行補助システムである。これにより、力センサにより検出した力及び角度センサにより検出した角度に基づいて、装着者の歩行が安定するように駆動部を制御することができる。
【０００８】
請求項２に記載した発明において、前記制御装置は、水平方向に対する前記倒立振子制御型の移動体間の開き角度を前記角度センサにより検出し、前記開き角度が一定に収束するように前記駆動部を制御する。これにより、開き角度を一定に収束させることができる。
【０００９】
請求項３に記載した発明において、前記制御装置は、第１の時点及び第２の時点において、鉛直方向に対する前記倒立振子制御型の移動体の傾き角度を前記角度センサにより検出し、前記第２の時点で検出した前記傾き角度が、前記第１の時点で検出した前記傾き角度に収束するように前記駆動部を制御する。これにより、傾き角度を所望の時点での傾き角度に収束させることができる。
【００１０】
請求項４に記載した発明において、前記制御装置は、前記力センサにより検出した力の周波数成分に応じて前記駆動部を制御する。これにより、力の周波数成分に応じて歩行速度を制御することができる。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載した発明によれば、力センサにより検出した力及び角度センサにより検出した角度に基づいて駆動部を制御することにより、装着者の歩行が安定するように駆動部を制御することができるので、装着者の歩行安定性を向上し、歩行を補助することができる。
【００１２】
請求項２に記載した発明によれば、開き角度が一定に収束するように駆動部を制御することにより、装着者が任意の方向に移動した場合でも、装着者と倒立振子制御型の移動体との位置関係を一定に保つことができる。
【００１３】
請求項３に記載した発明によれば、傾き角度が所望の時点での傾き角度に収束するように駆動部を制御することにより、装着者の歩行安定性をさらに向上することができる。
【００１４】
請求項４に記載した発明によれば、力の周波数成分に応じて駆動部を制御することにより、装着者の歩行安定性をさらに向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態の全方向移動車両の正面図。
【図２】実施形態の全方向移動車両の側面図。
【図３】実施形態の全方向移動車両の下部を拡大して示す図。
【図４】実施形態の全方向移動車両の下部の斜視図。
【図５】実施形態の全方向移動車両の移動動作部（車輪体）の斜視図。
【図６】実施形態の全方向移動車両の移動動作部（車輪体）とフリーローラとの配置関係を示す図。
【図７】実施形態の全方向移動車両の動力学的挙動を表現する倒立振子モデルを示す図。
【図８】実施形態の歩行補助システムの側面図。
【図９】実施形態の歩行補助システムの平面図。
【図１０】実施形態の歩行補助システムの機能構成を示すブロック図。
【図１１】実施形態の全方向移動車両の制御ユニットの処理を示すフローチャート。
【図１２】図１１のステップＳ１６０の処理に係わる処理機能を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。まず、図１〜図６を参照して、本実施形態による歩行補助システムに使用する全方向移動車両の構造を説明する。
【００１７】
図１及び図２に示すように、本実施形態における全方向移動車両（以下、車両と記す）１は、乗員（運転者）の搭乗部３と、床面に接地しながら該床面上を全方向（前後方向及び左右方向を含む２次元的な全方向）に移動可能な移動動作部５と、この移動動作部５を駆動する動力を該移動動作部５に付与するアクチュエータ装置７と、これらの搭乗部３、移動動作部５及びアクチュエータ装置７が組付けられた基体９とを備える。
【００１８】
ここで、本実施形態の説明では、「前後方向」、「左右方向」は、それぞれ、搭乗部３に標準的な姿勢で搭乗した乗員の上体の前後方向、左右方向に一致もしくはほぼ一致する方向を意味する。なお、「標準的な姿勢」は、搭乗部３に関して設計的に想定されている姿勢であり、乗員の上体の体幹軸を概ね上下方向に向け、且つ、上体を捻ったりしていない姿勢である。
【００１９】
この場合、図１においては、「前後方向」、「左右方向」はそれぞれ、紙面に垂直な方向、紙面の左右方向であり、図２においては、「前後方向」、「左右方向」はそれぞれ、紙面の左右方向、紙面に垂直な方向である。また、本実施形態の説明では、参照符号に付する添え字「Ｒ」，「Ｌ」は、それぞれ車両１の右側、左側に対応するものという意味で使用する。
【００２０】
基体９は、移動動作部５及びアクチュエータ装置７とが組付けられた下部フレーム１１と、この下部フレーム１１の上端から上方に延設された支柱フレーム１３とを備える。支柱フレーム１３の上部には、該支柱フレーム１３から前方側に張り出したシートフレーム１５が固定されている。そして、このシートフレーム１５上に、乗員が着座するシート３が装着されている。本実施形態では、このシート３が乗員の搭乗部となっている。従って、本実施形態における全方向移動車両１（以降、単に車両１という）は、乗員がシート３に着座した状態で、床面上を移動するものである。また、シート３の左右には、シート３に着座した乗員が必要に応じて把持するためのグリップ１７Ｒ，１７Ｌが配置され、これらのグリップ１７Ｒ，１７Ｌがそれぞれ、支柱フレーム１３（又はシートフレーム１５）から延設されたブラケット１９Ｒ，１９Ｌの先端部に固定されている。
【００２１】
下部フレーム１１は、左右方向に間隔を存して二股状に対向するように配置された一対のカバー部材２１Ｒ，２１Ｌを備える。これらのカバー部材２１Ｒ，２１Ｌの上端部（二股の分岐部分）は、前後方向の軸心を有するヒンジ軸２３を介して連結され、カバー部材２１Ｒ，２１Ｌの一方が他方に対して相対的にヒンジ軸２３の周りに揺動可能となっている。この場合、カバー部材２１Ｒ，２１Ｌは、図示を省略するバネによって、カバー部材２１Ｒ，２１Ｌの下端部側（二股の先端側）が狭まる方向に付勢されている。また、カバー部材２１Ｒ，２１Ｌのそれぞれの外面部には、前記シート３に着座した乗員の右足を載せるステップ２５Ｒと左足を載せるステップ２５Ｌとが各々、右向き、左向きに張り出すように突設されている。
【００２２】
移動動作部５及びアクチュエータ装置７は、下部フレーム１１のカバー部材２１Ｒ，２１Ｌの間に配置されている。これらの移動動作部５及びアクチュエータ装置７の構造を図３〜図６を参照して説明する。なお、本実施形態で例示する移動動作部５及びアクチュエータ装置７は、例えば前記特許文献２の図１に開示されているものと同じ構造のものである。従って、本実施形態の説明においては、移動動作部５及びアクチュエータ装置７の構成に関して、前記特許文献２に記載された事項については、簡略的な説明に留める。
【００２３】
本実施形態では、移動動作部５は、ゴム状弾性材により円環状に形成された車輪体であり、ほぼ円形の横断面形状を有する。この移動動作部５（以降、車輪体５という）は、その弾性変形によって、図５及び図６の矢印Ｙ１で示す如く、円形の横断面の中心Ｃ１（より詳しくは、円形の横断面中心Ｃ１を通って、車輪体５の軸心と同心となる円周線）の周りに回転可能となっている。
【００２４】
この車輪体５は、その軸心Ｃ２（車輪体５全体の直径方向に直交する軸心Ｃ２）を左右方向に向けた状態で、カバー部材２１Ｒ，２１Ｌの間に配置され、該車輪体５の外周面の下端部にて床面に接地する。
【００２５】
そして、車輪体５は、アクチュエータ装置７による駆動（詳細は後述する）によって、図５の矢印Ｙ２で示す如く車輪体５の軸心Ｃ２の周りに回転する動作（床面上を輪転する動作）と、車輪体５の横断面中心Ｃ１の周りに回転する動作とを行うことが可能である。その結果、車輪体５は、それらの回転動作の複合動作によって、床面上を全方向に移動することが可能となっている。
【００２６】
アクチュエータ装置７は、車輪体５と右側のカバー部材２１Ｒとの間に介装される回転部材２７Ｒ及びフリーローラ２９Ｒと、車輪体５と左側のカバー部材１７Ｌとの間に介装される回転部材２７Ｌ及びフリーローラ２９Ｌと、回転部材２７Ｒ及びフリーローラ２９Ｒの上方に配置されたアクチュエータとしての電動モータ３１Ｒと、回転部材２７Ｌ及びフリーローラ２９Ｌの上方に配置されたアクチュエータとしての電動モータ３１Ｌとを備える。
【００２７】
電動モータ３１Ｒ，３１Ｌは、それぞれのハウジングがカバー部材２１Ｒ，２１Ｌに各々取付けられている。なお、図示は省略するが、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの電源（蓄電器）は、支柱フレーム１３等、基体９の適所に搭載されている。
【００２８】
回転部材２７Ｒは、左右方向の軸心を有する支軸３３Ｒを介してカバー部材２１Ｒに回転可能に支持されている。同様に、回転部材２７Ｌは、左右方向の軸心を有する支軸３３Ｌを介してカバー部材２１Ｌに回転可能に支持されている。この場合、回転部材２７Ｒの回転軸心（支軸３３Ｒの軸心）と、回転部材２７Ｌの回転軸心（支軸３３Ｌの軸心）とは同軸心である。
【００２９】
回転部材２７Ｒ，２７Ｌは、それぞれ電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの出力軸に、減速機としての機能を含む動力伝達機構を介して接続されており、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌからそれぞれ伝達される動力（トルク）によって回転駆動される。各動力伝達機構は、例えばプーリ・ベルト式のものである。すなわち、図３に示す如く、回転部材２７Ｒは、プーリ３５Ｒとベルト３７Ｒとを介して電動モータ３１Ｒの出力軸に接続されている。同様に、回転部材２７Ｌは、プーリ３５Ｌとベルト３７Ｌとを介して電動モータ３１Ｌの出力軸に接続されている。
【００３０】
なお、上記動力伝達機構は、例えば、スプロケットとリンクチェーンとにより構成されるもの、あるいは、複数のギヤにより構成されるものであってもよい。また、例えば、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌを、それぞれの出力軸が各回転部材２７Ｒ，２７Ｌと同軸心になるように各回転部材２７Ｒ，２７Ｌに対向させて配置し、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの出力軸を回転部材２７Ｒ，２７Ｌに各々、減速機（遊星歯車装置等）を介して連結するようにしてもよい。
【００３１】
各回転部材２７Ｒ，２７Ｌは、車輪体５側に向かって縮径する円錐台と同様の形状に形成されており、その外周面がテーパ外周面３９Ｒ，３９Ｌとなっている。回転部材２７Ｒのテーパ外周面３９Ｒの周囲には、回転部材２７Ｒと同心の円周上に等間隔で並ぶようにして、複数のフリーローラ２９Ｒが配列されている。そして、これらのフリーローラ２９Ｒは、それぞれ、ブラケット４１Ｒを介してテーパ外周面３９Ｒに取付けられ、該ブラケット４１Ｒに回転自在に支承されている。
【００３２】
同様に、回転部材２７Ｌのテーパ外周面３９Ｌの周囲には、回転部材２７Ｌと同心の円周上に等間隔で並ぶようにして、複数（フリーローラ２９Ｒと同数）のフリーローラ２９Ｌが配列されている。そして、これらのフリーローラ２９Ｌは、それぞれ、ブラケット４１Ｌを介してテーパ外周面３９Ｌに取付けられ、該ブラケット４１Ｌに回転自在に支承されている。
【００３３】
前記車輪体５は、回転部材２７Ｒ側のフリーローラ２９Ｒと、回転部材２７Ｌ側のフリーローラ２９Ｌとの間に挟まれるようにして、回転部材２７Ｒ，２７Ｌと同軸心に配置されている。この場合、図１及び図６に示すように、各フリーローラ２９Ｒ，２９Ｌは、その軸心Ｃ３が車輪体５の軸心Ｃ２に対して傾斜すると共に、車輪体５の直径方向（車輪体５をその軸心Ｃ２の方向で見たときに、該軸心Ｃ２と各フリーローラ２９Ｒ，２９Ｌとを結ぶ径方向）に対して傾斜する姿勢で配置されている。そして、このような姿勢で、各フリーローラ２９Ｒ，２９Ｌのそれぞれの外周面が車輪体５の内周面に斜め方向に圧接されている。
【００３４】
より一般的に言えば、右側のフリーローラ２９Ｒは、回転部材２７Ｒが軸心Ｃ２の周りに回転駆動されたときに、車輪体５との接触面で、軸心Ｃ２周りの方向の摩擦力成分（車輪体５の内周の接線方向の摩擦力成分）と、車輪体５の前記横断面中心Ｃ１の周り方向の摩擦力成分（円形の横断面の接線方向の摩擦力成分）とを車輪体５に作用させ得るような姿勢で、車輪体５の内周面に圧接されている。左側のフリーローラ２９Ｌについても同様である。
【００３５】
この場合、前記したように、カバー部材２１Ｒ，２１Ｌは、図示しないバネによって、カバー部材２１Ｒ，２１Ｌの下端部側（二股の先端側）が狭まる方向に付勢されている。このため、この付勢力によって、右側のフリーローラ２９Ｒと左側のフリーローラ２９Ｌとの間に車輪体５が挟持されると共に、車輪体５に対する各フリーローラ２９Ｒ，２９Ｌの圧接状態（より詳しくはフリーローラ２９Ｒ，２９Ｌと車輪体５との間で摩擦力が作用し得る圧接状態）が維持される。
【００３６】
以上説明した構造を有する車両１においては、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌによりそれぞれ、回転部材２７Ｒ，２７Ｌを同方向に等速度で回転駆動した場合には、車輪体５が回転部材２７Ｒ，２７Ｌと同方向に軸心Ｃ２の周りに回転することとなる。これにより、車輪体５が床面上を前後方向に輪転して、車両１の全体が前後方向に移動することとなる。なお、この場合は、車輪体５は、その横断面中心Ｃ１の周りには回転しない。
【００３７】
また、例えば、回転部材２７Ｒ，２７Ｌを互いに逆方向に同じ大きさの速度で回転駆動した場合には、車輪体５は、その横断面中心Ｃ１の周りに回転することとなる。これにより、車輪体５がその軸心Ｃ２の方向（すなわち左右方向）に移動し、ひいては、車両１の全体が左右方向に移動することとなる。なお、この場合は、車輪体５は、その軸心Ｃ２の周りには回転しない。
【００３８】
さらに、回転部材２７Ｒ，２７Ｌを、互いに異なる速度（方向を含めた速度）で、同方向又は逆方向に回転駆動した場合には、車輪体５は、その軸心Ｃ２の周りに回転すると同時に、その横断面中心Ｃ１の周りに回転することとなる。
【００３９】
この時、これらの回転動作の複合動作（合成動作）によって、前後方向及び左右方向に対して傾斜した方向に車輪体５が移動し、ひいては、車両１の全体が車輪体５と同方向に移動することとなる。この場合の車輪体５の移動方向は、回転部材２７Ｒ，２７Ｌの回転方向を含めた回転速度（回転方向に応じて極性が定義された回転速度ベクトル）の差に依存して変化するものとなる。
【００４０】
以上のように車輪体５の移動動作が行われるので、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転速度（回転方向を含む）を制御し、ひいては回転部材２７Ｒ，２７Ｌの回転速度を制御することによって、車両１の移動速度及び移動方向を制御できることとなる。
【００４１】
次に、本実施形態の車両１の動作制御のための構成を説明する。なお、以降の説明では、図１及び図２に示すように、前後方向の水平軸をＸ軸、左右方向の水平軸をＹ軸、鉛直方向をＺ軸とするＸＹＺ座標系を想定し、前後方向、左右方向をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向と言うことがある。
【００４２】
まず、車両１の概略的な動作制御を説明すると、本実施形態では、基本的には、シート３に着座した乗員がその上体を傾けた場合（詳しくは、乗員と車両１とを合わせた全体の重心点の位置（水平面に投影した位置）を動かすように上体を傾けた場合）に、該上体を傾けた側に基体９がシート３と共に傾動する。そして、この時、基体９が傾いた側に車両１が移動するように、車輪体５の移動動作が制御される。例えば、乗員が上体を前傾させ、ひいては、基体９をシート３と共に前傾させると、車両１が前方に移動するように、車輪体５の移動動作が制御される。すなわち、本実施形態では、乗員が上体を動かし、ひいては、シート３と共に基体９を傾動させるという動作が、車両１に対する１つの基本的な操縦操作（車両１の動作要求）とされ、その操縦操作に応じて車輪体５の移動動作がアクチュエータ装置７を介して制御される。
【００４３】
ここで、本実施形態の車両１は、その全体の接地面としての車輪体５の接地面が、車両１とこれに搭乗する乗員との全体を床面に投影した領域に比して面積が小さい単一の局所領域となり、その単一の局所領域だけに床反力が作用する。このため、基体９が傾倒しないようにするためには、乗員及び車両１の全体の重心点が車輪体５の接地面のほぼ真上に位置するように、車輪体５を動かす必要がある。
【００４４】
そこで、本実施形態では、乗員及び車両１の全体の重心点が、車輪体５の中心点（軸心Ｃ２上の中心点）のほぼ真上に位置する状態（より正確には当該重心点が車輪体５の接地面のほぼ真上に位置する状態）での基体９の姿勢を目標姿勢とし、基本的には、基体９の実際の姿勢を目標姿勢に収束させるように、車輪体５の移動動作が制御される。
【００４５】
また、車両１を発進させる場合等において、アクチュエータ装置７による推進力とは別に、例えば乗員が必要に応じて自身の足により床を蹴り、それにより車両１の移動速度を増速させる推進力（乗員の足平と床との摩擦力による推進力）を、付加的な外力として車両１に作用させた場合には、それに応じて車両１の移動速度（より正確には、乗員及び車両の全体の重心点の移動速度）が増速するように、車輪体５の移動動作が制御される。なお、当該推進力の付加が停止された状態では、車両１の移動速度が一旦、一定速度に保持された後、減衰して、該車両１が停止するように、車輪体５の移動動作が制御される（車輪体５の制動制御が行われる）。
【００４６】
さらに、車両１に乗員が搭乗していない状態では、車両１の単体の重心点が、車輪体５の中心点（軸心Ｃ２上の中心点）のほぼ真上に位置する状態（より正確には当該重心点が車輪体５の接地面のほぼ真上に位置する状態）での基体９の姿勢を目標姿勢とし、該基体９の実際の姿勢を目標姿勢に収束させ、ひいては、基体９が傾倒することなく車両１が自立するように、車輪体５の移動動作が制御される。
【００４７】
本実施形態では、以上の如き車両１の動作制御を行うために、図１及び図２に示すように、マイクロコンピュータや電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのドライブ回路ユニットなどを含む電子回路ユニットにより構成された制御ユニット５０と、基体９の所定の部位の鉛直方向（重力方向）に対する傾斜角θb及びその変化速度（＝dθb/dt）を計測するための傾斜センサ５２と、車両１に乗員が搭乗しているか否かを検知するための荷重センサ５４と、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの出力軸の回転角度及び回転角速度を検出するための角度センサとしてのロータリーエンコーダ５６Ｒ，５６Ｌがそれぞれ、車両１の適所に搭載されている。
【００４８】
この場合、制御ユニット５０及び傾斜センサ５２は、例えば、基体９の支柱フレーム１３の内部に収容された状態で該支柱フレーム１３に取付けられている。また、荷重センサ５４は、シート３に内蔵されている。また、ロータリーエンコーダ５６Ｒ，５６Ｌは、それぞれ、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌと一体に設けられている。なお、ロータリーエンコーダ５６Ｒ，５６Ｌは、それぞれ、回転部材２７Ｒ，２７Ｌに装着してもよい。
【００４９】
上記傾斜センサ５２は、より詳しくは、加速度センサとジャイロセンサ等のレートセンサ（角速度センサ）とから構成され、これらのセンサの検出信号を制御ユニット５０に出力する。そして、制御ユニット５０が、傾斜センサ５２の加速度センサ及びレートセンサの出力を基に、所定の計測演算処理（これは公知の演算処理でよい）を実行することによって、傾斜センサ５２を搭載した部位（本実施形態では支柱フレーム１３）の、鉛直方向に対する傾斜角度θbの計測値とその変化速度（微分値）である傾斜角速度θbdotの計測値とを算出する。
【００５０】
この場合、計測する傾斜角度θb（以降、基体傾斜角度θbということがある）は、より詳しくは、それぞれ、Ｙ軸周り方向（ピッチ方向）の成分θb_xと、Ｘ軸周り方向（ロール方向）の成分θb_yとから成る。同様に、計測する傾斜角速度θbdot（以降、基体傾斜角速度θbdotということがある）も、Ｙ軸周り方向（ピッチ方向）の成分θbdot_x（＝dθb_x/dt）と、Ｘ軸周り方向（ロール方向）の成分θbdot_y（＝dθb_y/dt）とから成る。
【００５１】
なお、本実施形態の説明では、上記基体傾斜角度θbなど、Ｘ軸及びＹ軸の各方向（又は各軸周り方向）の成分を有する運動状態量等の変数、あるいは、該運動状態量に関連する係数等の変数に関しては、その各成分を区別して表記する場合に、該変数の参照符号に、添え字“_x”又は“_y”を付加する。この場合において、並進速度等の並進運動に係わる変数については、そのＸ軸方向の成分に添え字“_x”を付加し、Ｙ軸方向の成分に添え字“_y”を付加する。
【００５２】
一方、角度、回転速度（角速度）、角加速度など、回転運動に係わる変数については、並進運動に係わる変数と添え字を揃えるために、便宜上、Ｙ軸周り方向の成分に添え字“_x”を付加し、Ｘ軸周り方向の成分に添え字“_y”を付加する。
【００５３】
さらに、Ｘ軸方向の成分（又はＹ軸周り方向の成分）と、Ｙ軸方向の成分（又はＸ軸周り方向の成分）との組として変数を表記する場合には、該変数の参照符号に添え字“_xy”を付加する。例えば、上記基体傾斜角度θbを、Ｙ軸周り方向の成分θb_xとＸ軸周り方向の成分θb_yの組として表現する場合には、「基体傾斜角度θb_xy」というように表記する。
【００５４】
前記荷重センサ５４は、乗員がシート３に着座した場合に該乗員の重量による荷重を受けるようにシート３に内蔵され、その荷重に応じた検出信号を制御ユニット５０に出力する。そして、制御ユニット５０が、この荷重センサ５４の出力により示される荷重の計測値に基づいて、車両１に乗員が搭乗しているか否かを判断する。なお、荷重センサ５４の代わりに、例えば、乗員がシート３に着座したときにＯＮとなるようなスイッチ式のセンサを用いてもよい。
【００５５】
ロータリーエンコーダ５６Ｒは、電動モータ３１Ｒの出力軸が所定角度回転する毎にパルス信号を発生し、このパルス信号を制御ユニット５０に出力する。そして、制御ユニット５０が、そのパルス信号を基に、電動モータ５３Ｒの出力軸の回転角度を計測し、さらにその回転角度の計測値の時間的変化率（微分値）を電動モータ５３Ｒの回転角速度として計測する。電動モータ３１Ｌ側のロータリーエンコーダ５６Ｌについても同様である。
【００５６】
制御ユニット５０は、上記の各計測値を用いて所定の演算処理を実行することによって、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度の目標値である速度指令を決定し、その速度指令に従って、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度をフィードバック制御する。なお、電動モータ３１Ｒの出力軸の回転角速度と、回転部材２７Ｒの回転角速度との間の関係は、該出力軸と回転部材２７Ｒとの間の一定値の減速比に応じた比例関係になるので、本実施形態の説明では、便宜上、電動モータ３１Ｒの回転角速度は、回転部材２７Ｒの回転角速度を意味するものとする。同様に、電動モータ３１Ｌの回転角速度は、回転部材２７Ｌの回転角速度を意味するものとする。
【００５７】
次に、制御ユニット５０が車両制御のために行う演算処理の概略を説明する。
【００５８】
なお、以降の説明では、基体傾斜角度θbの計測値θb_xy_sなど、変数（状態量）の実際の値の観測値（計測値又は推定値）を参照符号により表記する場合に、該変数の参照符号に、添え字“_s”を付加する。
【００５９】
また、以降の説明では、制御ユニット５０が各制御処理周期で決定する値（更新する値）に関し、現在の（最新の）制御処理周期で決定する値を今回値、その１つ前の制御処理周期で決定した値を前回値ということがある。そして、今回値、前回値を特にことわらない値は、今回値を意味する。
【００６０】
また、Ｘ軸方向の速度及び加速度に関しては、前方向きを正の向きとし、Ｙ軸方向の速度及び加速度に関しては、左向きを正の向きとする。
【００６１】
本実施形態では、車両系重心点の動力学的な挙動（詳しくは、Ｙ軸方向からこれに直交する面（ＸＺ平面）に投影して見た挙動と、Ｘ軸方向からこれに直交する面（ＹＺ平面）に投影して見た挙動）が、近似的に、図７に示すような、倒立振子モデルの挙動（倒立振子の動力学的挙動）によって表現されるものとして、車両制御のための演算処理が行われる。
【００６２】
なお、図７において、括弧を付していない参照符号は、Ｙ軸方向から見た倒立振子モデルに対応する参照符号であり、括弧付きの参照符号は、Ｘ軸方向から見た倒立振子モデルに対応する参照符号である。この場合、Ｙ軸方向から見た挙動を表現する倒立振子モデルは、車両の重心点に位置する質点６０_xと、Ｙ軸方向に平行な回転軸６２a_xを有して床面上を輪転自在な仮想的な車輪６２_x（以降、仮想車輪６２_xという）とを備える。そして、質点６０_xが、仮想車輪６２_xの回転軸６２a_xに直線状のロッド６４_xを介して支持され、該回転軸６２a_xを支点として該回転軸６２a_xの周りに揺動自在とされている。
【００６３】
この倒立振子モデルでは、質点６０_xの運動が、Ｙ軸方向から見た車両系重心点の運動に相当する。また、鉛直方向に対するロッド６４_xの傾斜角度θbe_xがＹ軸周り方向での基体傾斜角度計測値θb_x_sと基体傾斜角度目標値θb_x_objとの偏差θbe_x_s（＝θb_x_s−θb_x_obj）に一致するものとされる。また、ロッド６４_xの傾斜角度θbe_xの変化速度（＝dθbe_x/dt）がＹ軸周り方向の基体傾斜角速度計測値θbdot_x_sに一致するものとされる。また、仮想車輪６２_xの移動速度Ｖw_x（Ｘ軸方向の並進移動速度）は、車両１の車輪体５のＸ軸方向の移動速度に一致するものとされる。
【００６４】
同様に、Ｘ軸方向から見た挙動を表現する倒立振子モデル（図７の括弧付きの符号を参照）は、車両系重心点に位置する質点６０_yと、Ｘ軸方向に平行な回転軸６２a_yを有して床面上を輪転自在な仮想的な車輪６２_y（以降、仮想車輪６２_yという）とを備える。そして、質点６０_yが、仮想車輪６２_yの回転軸６２a_yに直線状のロッド６４_yを介して支持され、該回転軸６２a_yを支点として該回転軸６２a_yの周りに揺動自在とされている。
【００６５】
この倒立振子モデルでは、質点６０_yの運動が、Ｘ軸方向から見た車両系重心点の運動に相当する。また、鉛直方向に対するロッド６４_yの傾斜角度θbe_yがＸ軸周り方向での基体傾斜角度計測値θb_y_sと基体傾斜角度目標値θb_y_objとの偏差θbe_y_s（＝θb_y_s−θb_y_obj）に一致するものとされる。また、ロッド６４_yの傾斜角度θbe_yの変化速度（＝dθbe_y/dt）がＸ軸周り方向の基体傾斜角速度計測値θbdot_y_sに一致するものとされる。また、仮想車輪６２_yの移動速度Ｖw_y（Ｙ軸方向の並進移動速度）は、車両１の車輪体５のＹ軸方向の移動速度に一致するものとされる。
【００６６】
なお、仮想車輪６２_x，６２_yは、それぞれ、あらかじめ定められた所定値Ｒw_x，Ｒw_yの半径を有するものとされる。また、仮想車輪６２_x，６２_yのそれぞれの回転角速度ωw_x，ωw_yと、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度ω_R，ω_L（より正確には、回転部材２７Ｒ，２７Ｌのそれぞれの回転角速度ω_R，ω_L）との間には、次式０１ａ，０１ｂの関係が成立するものとされる。
ωw_x＝Ｃ・（ω_Ｒ−ω_L）／２    ……式０１ａ
ωw_y＝（ω_Ｒ＋ω_L）／２    ……式０１ｂ
【００６７】
なお、式０１ａにおける“Ｃ”は、前記フリーローラ２９Ｒ，２９Ｌと車輪体５との間の機構的な関係や滑りに依存する所定値の係数である。ここで、図７に示す倒立振子モデルの動力学は、次式０３ｘ，０３ｙにより表現される。なお、式０３ｘは、Ｙ軸方向から見た倒立振子モデルの動力学を表現する式、式０３ｙは、Ｘ軸方向から見た倒立振子モデルの動力学を表現する式である。
ｄ2θbe_x／dt2＝α_x・θbe_x＋β_x・ωwdot_x    ……式０３ｘ
ｄ2θbe_y／dt2＝α_y・θbe_y＋β_y・ωwdot_y    ……式０３ｙ
【００６８】
式０３ｘにおけるωwdot_xは仮想車輪６２_xの回転角加速度（回転角速度ωw_xの１階微分値）、α_xは、質点６０_xの質量や高さｈ_xに依存する係数、β_xは、仮想車輪６２_xのイナーシャ（慣性モーメント）や半径Ｒw_xに依存する係数である。式０３ｙにおけるωwdot_y、α_y、β_yについても上記と同様である。これらの式０３ｘ，０３ｙから判るように、倒立振子の質点６０_x，６０_yの運動（ひいては車両系重心点の運動）は、それぞれ、仮想車輪６２_xの回転角加速度ωwdot_x、仮想車輪６２_yの回転角加速度ωwdot_yに依存して規定される。
【００６９】
そこで、本実施形態では、Ｙ軸方向から見た車両系重心点の運動を制御するための操作量（制御入力）として、仮想車輪６２_xの回転角加速度ωwdot_xを用いると共に、Ｘ軸方向から見た車両系重心点の運動を制御するための操作量（制御入力）として、仮想車輪６２_yの回転角加速度ωwdot_yを用いる。
【００７０】
そして、車両制御のための演算処理を概略的に説明すると、制御ユニット５０は、Ｘ軸方向で見た質点６０_xの運動と、Ｙ軸方向で見た質点６０_yの運動とが、車両系重心点の所望の運動に対応する運動となるように、操作量としての上記回転角加速度ωwdot_x，ωwdot_yの指令値（目標値）である仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmd，ωwdot_y_cmdを決定する。さらに、制御ユニット５０は、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmd，ωwdot_y_cmdをそれぞれ積分してなる値を、仮想車輪６２_x，６２_yのそれぞれの回転角速度ωw_x，ωw_yの指令値（目標値）である仮想車輪回転角速度指令ωw_x_cmd，ωw_y_cmdとして決定する。
【００７１】
そして、制御ユニット５０は、仮想車輪回転角速度指令ωw_x_cmdに対応する仮想車輪６２_xの移動速度（＝Ｒw_x・ωw_x_cmd）と、仮想車輪回転角速度指令ωw_y_cmdに対応する仮想車輪６２_yの移動速度（＝Ｒw_y・ωw_y_cmd）とを、それぞれ、車両１の車輪体５のＸ軸方向の目標移動速度、Ｙ軸方向の目標移動速度とし、それらの目標移動速度を実現するように、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの速度指令ω_R_cmd，ωL_cmdを決定する。
【００７２】
次に、上記の車両１を用いた歩行補助システムの構成を説明する。図８及び図９は、本実施形態による歩行補助システムの構成を模式的に示している。図８は、歩行補助システムを横から見た図であり、図９は、歩行補助システムを上から見た図である。
【００７３】
本実施形態による歩行補助システムは、傾斜センサ５２及び６軸力センサ５７を内蔵した２台の車両１ａ，１ｂと、これら２台の車両１ａ，１ｂが係止されたベルト５８とを備える。使用者Ｕ（装着者）がベルト５８を腰部に装着して歩行すると、２台の車両１ａ，１ｂが使用者Ｕを支えると共に使用者Ｕを後ろから押すことで歩行を補助する。なお、車両１ａ，１ｂには人が搭乗しないので、前述したシート３、シートフレーム１５、グリップ１７Ｒ，１７Ｌ、ブラケット１９Ｒ，１９Ｌ、ステップ２５Ｒ，２５Ｌ、荷重センサ５４は必要ない。また、本実施形態では２台の車両を用いているが、３台以上であってもよい。
【００７４】
ベルト５８は、基準軸Ｐ方向を基準とした場合の水平方向に対する車両１ａの開き角度θ1及び車両１ｂの開き角度θ2を検出する角度センサ（後述する開き角度センサ５９ａ，５９ｂ）と、鉛直方向に対する各車両の傾き角度に相当する基体傾斜角度θbの目標値θb_x_objをリセットするためのボタン（後述する傾斜角リセットボタン６１）とを内蔵している。この角度センサは、ベルト５８において、車両１ａ，１ｂとの接続部分に配置されており、車両１ａ，１ｂとベルト５８とを接続する軸を中心に車両１ａ，１ｂが水平面内で回転したときの回転量を開き角度θ1，θ2として検出する。本実施形態では、開き角度θ1，θ2が一定に収束するような制御が行われるため、使用者Ｕが任意の方向に移動した場合でも、使用者Ｕと車両１ａ，１ｂとの位置関係を一定に保つことができる。すなわち、使用者Ｕの向きの変化に合わせて車両１ａ，１ｂが向きを変えると共に、車両１ａ，１ｂの開き角度が一定となる。
【００７５】
基体傾斜角度θbの目標値θb_x_objは、例えば使用者Ｕがベルト５８を装着したときの基体傾斜角度θbに設定される。そして、本実施形態では、車両１ａ，１ｂの基体傾斜角度θbの計測値θb_x_sが目標値θb_x_objに収束するような制御が行われる。
【００７６】
車両１ａ，１ｂは、前述した傾斜センサ５２と共に、車両１ａ，１ｂに加わる力（車両１ａ，１ｂと装着者の間の力）を検出する６軸力センサ５７を内蔵している。この６軸力センサ５７は、車両１ａ，１ｂにおいて、ベルト５８との接続部分の近傍に配置されている。以下では、車両１ａの６軸力センサ５７が検出した、車両１ａの座標系におけるＸ軸方向の力をＦx1とし、車両１ｂの６軸力センサ５７が検出した、車両１ｂの座標系におけるＸ軸方向の力をＦx2とする。本実施形態では、６軸力センサ５７が検出した力の低周波成分に応じて車両１ａ，１ｂの速度が制御されるため、車両１ａ，１ｂの前後方向の移動の揺らぎによる歩行の揺らぎ（例えば左右方向の蛇行）が抑えられ、使用者Ｕが安定して一定方向に進むことができる。
【００７７】
図１０は、本実施形態による歩行補助システムの機能構成を示している。なお、図１０は、車両１ａ，１ｂの走行制御に係る要部の構成のみを示し、一部の構成を省略している。
【００７８】
ベルト５８は、車両１ａの開き角度θ1を検出する開き角度センサ５９ａと、車両１ｂの開き角度θ2を検出する開き角度センサ５９ｂと、傾斜角リセットボタン６１とを備える。開き角度センサ５９ａが検出した開き角度θ1を示す信号は車両１ａの制御ユニット５０へ出力され、開き角度センサ５９ｂが検出した開き角度θ2を示す信号は車両１ｂの制御ユニット５０へ出力される。傾斜角リセットボタン６１からの信号は車両１ａ，１ｂの制御ユニット５０へ出力される。
【００７９】
車両１ａ，１ｂは、図１等に示した車輪体５の駆動力を発生するアクチュエータ装置７と、各車両の走行制御を行う制御ユニット５０と、基体傾斜角度θb及びその変化速度（＝dθb/dt）を検出する傾斜センサ５２と、各車両に加わる力（各車両と装着者の間の力）を検出する６軸力センサ５７とを備える。前述したように、アクチュエータ装置７は、図１等に示した回転部材２７Ｒ及びフリーローラ２９Ｒと、回転部材２７Ｌ及びフリーローラ２９Ｌと、電動モータ３１Ｒ及び電動モータ３１Ｌとを備える。
【００８０】
次に、制御ユニット５０の制御処理をさらに詳細に説明する。制御ユニット５０は、所定の制御処理周期で図１１のフローチャートに示す処理（メインルーチン処理）を実行する。
【００８１】
まず、ステップＳ１００において、制御ユニット５０は、傾斜センサ５２の出力を取得する。
【００８２】
次いで、ステップＳ１１０に進んで、制御ユニット５０は、取得した傾斜センサ５２の出力を基に、基体傾斜角度θbの計測値θb_xy_sと、基体傾斜角速度θbdotの計測値θbdot_xy_sとを算出する。
【００８３】
次いで、ステップＳ１２０に進んで、制御ユニット５０は、開き角度センサ５９ａの出力である開き角度θ1の計測値θ1_s又は開き角度センサ５９ｂの出力である開き角度θ2の計測値θ2_sを取得する。
【００８４】
次いで、ステップＳ１３０に進んで、制御ユニット５０は、６軸力センサ５７の出力である力Ｆx1の計測値Ｆx1_s又は力Ｆx2の計測値Ｆx2_sを取得する。
【００８５】
次いで、ステップＳ１４０に進んで、制御ユニット５０は、傾斜角リセットボタン６１が操作されたか否かを判定する。この操作とは、例えば傾斜角リセットボタン６１をＯＦＦからＯＮに切り替える操作である。
【００８６】
傾斜角リセットボタン６１が操作された場合、ステップＳ１５０に進んで、制御ユニット５０は、基体傾斜角度θbの目標値θb_x_objを現在の基体傾斜角度θbに設定する。初期設定された目標値θb_x_objが使用者Ｕの歩行特性に合致せず、使用者Ｕが歩きにくさを感じた場合に、目標値θb_x_objを歩行中の一時点における基体傾斜角度θbに更新することによって、使用者の歩行をより安定化することができる。また、傾斜角リセットボタン６１が操作された場合は、ステップＳ１５０を実行せずに次のステップＳ１６０に進む。
【００８７】
次いで、ステップＳ１６０に進んで、制御ユニット５０は、車両制御演算処理を実行することによって、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの速度指令を決定する。この車両制御演算処理の詳細は後述する。
【００８８】
次いで、ステップＳ１７０に進んで、制御ユニット５０は、ステップＳ１６０で決定した速度指令に応じて電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの動作制御処理を実行する。この動作制御処理では、制御ユニット５０は、ステップＳ１６０で決定した電動モータ３１Ｒの速度指令と、ロータリーエンコーダ５６Ｒの出力に基づき計測した電動モータ３１Ｒの回転速度の計測値との偏差に応じて、該偏差を“０”に収束させるように電動モータ３１Ｒの出力トルクの目標値（目標トルク）を決定する。そして、制御ユニット５０は、その目標トルクの出力トルクを電動モータ３１Ｒに出力させるように該電動モータ３１Ｒの通電電流を制御する。左側の電動モータ３１Ｌの動作制御についても同様である。以上が、制御ユニット５０が実行する全体的な制御処理である。
【００８９】
制御ユニット５０は、上記の如き、ステップＳ１６０の車両制御演算処理を実行するための機能として、図１２のブロック図で示す機能を備えている。すなわち、制御ユニット５０は、車両１ａに加わる力の計測値Ｆx1_sの高周波成分を除去するための時定数Ｔのローパスフィルタとして機能するフィルタ演算部７０と、車両１ｂに加わる力の計測値Ｆx2_sの高周波成分を除去するための時定数Ｔのローパスフィルタとして機能するフィルタ演算部７１と、車両の重心点の移動速度である重心速度Ｖb_xyの観測値としての重心速度推定値Ｖb_xy_sを算出する重心速度算出部７２とを備える。また、制御ユニット５０は、さらに、前述した仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdを算出する姿勢制御演算部８０と、この仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdを、右側の電動モータ３１Ｒの速度指令ω_R_cmd（回転角速度の指令値）と左側の電動モータ３１Ｌの速度指令ω_L_cmd（回転角速度の指令値）との組に変換するモータ指令演算部８２とを備える。
【００９０】
なお、図１２中の参照符号８４を付したものは、姿勢制御演算部８０が制御処理周期毎に算出する仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdを入力する遅延要素を示している。該遅延要素８４は、各制御処理周期において、仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdの前回値ωw_xy_cmd_pを出力する。
【００９１】
ステップＳ１６０の車両制御演算処理では、これらの上記の各処理部の処理が以下に説明するように実行される。すなわち、制御ユニット５０は、まず、フィルタ演算部７０，７１の処理と重心速度算出部７２の処理とを実行する。
【００９２】
フィルタ演算部７０には、ステップＳ１３０で取得された力計測値Ｆx1_sが入力される。そして、フィルタ演算部７０は、Ｆx1_sから高周波成分を除去するフィルタ演算を実行する。同様に、フィルタ演算部７１には、ステップＳ１３０で取得された力計測値Ｆx2_sが入力される。そして、フィルタ演算部７１は、Ｆx2_sから高周波成分を除去するフィルタ演算を実行する。
【００９３】
重心速度算出部７２には、ステップＳ１１０で算出された基体傾斜角速度計測値θbdot_xy_s（θbdot_x_s及びθbdot_y_s）の今回値が入力されると共に、仮想車輪速度指令ωw_xy_cmdの前回値ωw_xy_cmd_p（ωw_x_cmd_p及びωw_y_cmd_p）が遅延要素８４から入力される。そして、重心速度算出部７２は、これらの入力値から、前記倒立振子モデルに基づく所定の演算式によって、重心速度推定値Ｖb_xy_s（Ｖb_x_s及びＶb_y_s）を算出する。
【００９４】
具体的には、重心速度算出部７２は、次式０５ｘ，０５ｙにより、Ｖb_x_s及びＶb_y_sをそれぞれ算出する。
Ｖb_x_s＝Ｒw_x・ωw_x_cmd_p＋ｈ_x・θbdot_x_s    ……０５ｘ
Ｖb_y_s＝Ｒw_y・ωw_y_cmd_p＋ｈ_y・θbdot_y_s    ……０５ｙ
【００９５】
これらの式０５ｘ，０５ｙにおいて、Ｒw_x，Ｒw_yは、前記したように、仮想車輪６２_x，６２_yのそれぞれの半径であり、これらの値は、あらかじめ設定された所定値である。また、ｈ_x，ｈ_yは、それぞれ倒立振子モデルの質点６０_x，６０_yの高さである。この場合、本実施形態では、車両の重心点の高さは、ほぼ一定に維持されるものとされる。そこで、ｈ_x，ｈ_yの値としては、それぞれ、あらかじめ設定された所定値が用いられる。
【００９６】
上記式０５ｘの右辺の第１項は、仮想車輪６２_xの速度指令の前回値ωw_x_cmd_pに対応する該仮想車輪６２_xのＸ軸方向の移動速度であり、この移動速度は、車輪体５のＸ軸方向の実際の移動速度の現在値に相当するものである。また、式０５ｘの右辺の第２項は、基体９がＹ軸周り方向にθbdot_x_sの傾斜角速度で傾動することに起因して生じる車両系重心点のＸ軸方向の移動速度（車輪体５に対する相対的な移動速度）の現在値に相当するものである。これらのことは、式０５ｙについても同様である。
【００９７】
なお、ロータリーエンコーダ５６Ｒ，５６Ｌの出力を基に計測される電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度の計測値（今回値）の組を、仮想車輪６２_x，６２_yのそれぞれの回転角速度の組に変換し、それらの回転角速度を、式０５ｘ、０５ｙのωw_x_cmd_p、ωw_y_cmd_pの代わりに用いてもよい。ただし、回転角速度の計測値に含まれるノイズの影響を排除する上では、目標値であるωw_x_cmd_p、ωw_y_cmd_pを使用することが有利である。
【００９８】
制御ユニット５０は、以上の如くフィルタ演算部７０，７１及び重心速度算出部７２の処理を実行した後、次に、姿勢制御演算部８０の処理を実行する。この姿勢制御演算部８０の処理を説明する。
【００９９】
姿勢制御演算部８０には、フィルタ演算部７０，７１で高周波成分が除去された力計測値Ｆx1_s，Ｆx1_sと、ステップＳ１２０で取得された開き角度計測値θ1_s，θ2_sと、ステップＳ１１０で算出された基体傾斜角計測値θb_xy_s及び基体傾斜角速度計測値θbdot_xy_sと、重心速度算出部７２で算出された重心速度推定値Ｖb_xy_sとが入力される。
【０１００】
そして、姿勢制御演算部８０は、まず、これらの入力値を用いて、次式０７ｘ，０７ｙ，０８ｘ，０８ｙにより、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_xy_cmd（ωwdot_x_cmd及びωwdot_y_cmd）を算出する。
【０１０１】
【数１】
2011062474.tif 000003
【０１０２】
なお、式０７ｘ，０７ｙは車両１ａについての式であり、式０８ｘ，０８ｙ車両１ｂについての式である。また、K1〜K6，W1〜W3はゲイン係数であり、θsetは開き角度θ1，θ2の目標値であり、biasは、例えば固定値である。
【０１０３】
従って、本実施形態では、Ｙ軸方向から見た倒立振子モデルの質点６０_xの運動（ひいては、Ｙ軸方向から見た車両の重心点の運動）を制御するための操作量（制御入力）としての仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmdと、Ｘ軸方向から見た倒立振子モデルの質点６０_yの運動（ひいては、Ｘ軸方向から見た車両の重心点の運動）を制御するための操作量（制御入力）としての仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_y_cmdとは、それぞれ、式０７ｘ，０７ｙ，０８ｘ，０８ｙの右辺の５つの項を加え合わせることによって決定される。
【０１０４】
ここで、式０７ｘの右辺の第１項及び第２項は、Ｘ軸周り方向での基体傾斜角度計測値θb_x_sと目標値θb_x_objの差分を、フィードバック制御則としてのＰＤ則（比例・微分則）により“０”に収束させる（基体傾斜角度計測値θb_x_sを目標値θb_x_objに収束させる）ためのフィードバック操作量成分としての意味を持つ。これは、式０８ｘの右辺の第１項及び第２項についても同様である。
【０１０５】
また、式０７ｙの右辺の第１項及び第２項は、Ｙ軸周り方向での基体傾斜角度計測値θb_y_sを比例・微分則により“０”に収束させるためのフィードバック操作量成分としての意味を持つ。これは、式０８ｙの右辺の第１項及び第２項についても同様である。
【０１０６】
また、式０７ｘの右辺の第３項は、重心速度推定値Ｖb_x_sをフィードバック制御則としての比例則により“０”に収束させるためのフィードバック操作量成分としての意味を持つ。これは、式０７ｙ，０８ｘ，０８ｙの右辺の第３項についても同様である。
【０１０７】
また、式０７ｘの右辺の第４項は、力計測値Ｆx1_sの低周波成分をフィードバック制御則としての比例則により“０”に収束させるためのフィードバック操作量成分としての意味を持つ。使用者Ｕが急激ではなくやんわりと車両１ａ，１ｂを引っ張る力を車両１ａ，１ｂの速度に反映させつつ、歩行による腰の前後の動きや左右の揺れに影響されないようにするため、低周波成分のみを取り出している。これによって、腰の前後の動きや左右の揺れが抑えられ、歩行が安定する。これは、式０８ｘの右辺の第４項についても同様である。
【０１０８】
また、式０７ｙの右辺の第４項及び第５項は、開き角度計測値θ1_sと目標値θsetの差分を、フィードバック制御則としてのＰＤ則（比例・微分則）により“０”に収束させる（開き角度計測値θ1_sを目標値θsetに収束させる）ためのフィードバック操作量成分としての意味を持つ。これは、式０８ｙの右辺の第４項及び第５項についても同様である。
【０１０９】
また、式０７ｘの右辺の第５項は、車両１ａ，１ｂが常に使用者Ｕを少し押すためのバイアスである。これは、式０８ｘの右辺の第５項についても同様である。このバイアスは固定値でもよいし、歩行中に調整できるようにしてもよい。このバイアスが存在することによって、使用者Ｕが常に押されるようになり、歩行が楽になる。
【０１１０】
姿勢制御演算部８０は、上記の如く、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmd，ωwdot_y_cmdを算出した後、次に、これらのωwdot_x_cmd，ωwdot_y_cmdをそれぞれ積分することによって、仮想車輪回転速度指令ωw_x_cmd，ωw_y_cmdを決定する。以上が姿勢制御演算部８０の処理の詳細である。
【０１１１】
図１２の説明に戻って、制御ユニット５０は、次に、姿勢制御演算部８０で上記の如く決定した仮想車輪回転速度指令ωw_x_cmd，ωw_y_cmdをモータ指令演算部８２に入力し、該モータ指令演算部８２の処理を実行することによって、電動モータ３１Ｒの速度指令ω_R_cmdと電動モータ３１Ｌの速度指令ω_L_cmdとを決定する。
【０１１２】
具体的には、モータ指令演算部８２は、前述した式０１ａ，０１ｂのωw_x，ωw_y，ω_R，ω_Lをそれぞれ、ωw_x_com，ωw_y_com，ω_R_cmd，ω_L_cmdに置き換えて得られる連立方程式を、ω_R_cmd，ω_L_cmdを未知数として解くことによって、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの速度指令ω_R_coｍ，ω_L_comを決定する。以上によりステップＳ１６０の車両制御演算処理が完了する。
【０１１３】
上述したように、制御ユニット５０が制御演算処理を実行することによって、基本的には、基体９の姿勢が、基体傾斜角度計測値θb_x_sと目標値θb_x_objの差分が“０”かつ基体傾斜角度計測値θb_y_sが“０”となる姿勢（以下、この姿勢を基本姿勢という）に保たれるように、操作量（制御入力）としての仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_xy_cmdが決定される。
【０１１４】
そして、ωwdot_xy_cmdの各成分を積分してなる仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdを変換してなる電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度が、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの速度指令ω_R_cmd，ω_L_cmdとして決定される。さらに、その速度指令ω_R_cmd，ω_L_cmdに従って、各電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの回転速度が制御される。ひいては車輪体５のＸ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれの移動速度が、ωw_x_cmdに対応する仮想車輪６２_xの移動速度と、ωw_y_cmdに対応する仮想車輪６２_yの移動速度とに各々一致するように制御される。
【０１１５】
このため、例えば、Ｙ軸周り方向で、実際の基体傾斜角度θb_xが目標値θb_x_objからずれると、そのずれを解消すべく、車輪体５の速度が変化する。また、例えば、Ｘ軸周り方向で、実際の基体傾斜角度θb_yが“０”からずれると、そのずれを解消すべく、車輪体５の速度が変化する。
【０１１６】
このようにして、基体９が基本姿勢から傾くと、その傾いた側に向かって姿勢を戻すように車輪体５の速度が変化することとなる。
【０１１７】
なお、使用者Ｕが転倒しそうになった場合には、式０７ｘ，０８ｘの第１項により、基体傾斜角度θb_xを目標値θb_x_objに引き戻そうとする制御が働く。また、式０７ｘ，０８ｘの第２項により、速度を“０”にしようとする（転倒を止めようとする）制御が働く。あるいは、使用者Ｕが急に転倒しそうになった場合には、式０７ｘ，０８ｘの第４項により、その影響が緩和される。
【０１１８】
また、制御ユニット５０が制御演算処理を実行することによって、基体９の姿勢が、開き角度計測値θ1_s，θ2_sと目標値θsetの差分が“０”となる姿勢に保たれるように、操作量（制御入力）としての仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_y_cmdが決定される。
【０１１９】
なお、使用者Ｕが、自らの意思により例えば右斜め前方に動いた場合、力Ｆx1が大きくなり、車両１ａが車両１ｂよりも速く動くため、使用者Ｕは右斜め前方に進むことができる。同様に、使用者Ｕが、自らの意思により例えば左斜め前方に動いた場合も、使用者Ｕは左斜め前方に進むことができる。また、使用者Ｕが右回り又は左回りに回りたい場合に、使用者Ｕがそのように動くと、開き角度θ1，θ2がθsetになるように制御される。
【０１２０】
上述したように、２台以上の全方向移動車両により歩行中の使用者（装着者）を支持することによって、使用者の脚と全方向移動車両により形成される広い支持基底面が得られるため、歩行の安定性が増す。また、力センサにより検出した力及び角度センサにより検出した角度に基づいて車両制御演算を行うことにより、使用者の歩行が安定するように駆動機構を制御することができるので、使用者の歩行安定性を向上することができる。
【０１２１】
また、車両制御演算を行って水平面内の開き角度を一定に収束させることにより、使用者が任意の方向に移動した場合でも、使用者と全方向移動車両との位置関係を一定に保つことができる。
【０１２２】
また、車両制御演算を行って鉛直面内の基体傾斜角度を所望の時点（例えば使用者がベルト５８を装着した時点や、歩行中の一時点）での傾き角度に収束させることにより、全方向移動車両が使用者を押す際の鉛直方向の揺らぎを抑えることができ、装着者の歩行安定性をさらに向上することができる。
【０１２３】
また、車両制御演算を行って、力の低周波数成分に応じて全方向移動車両の速度を制御することにより、歩行時の細かい動きに伴う揺らぎを抑えることができ、使用者の歩行安定性をさらに向上することができる。
【０１２４】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【符号の説明】
【０１２５】
１，１ａ，１ｂ  全方向移動車両（移動体）
５  車輪体（被駆動機構）
７  アクチュエータ装置（駆動部）
９  基体
５０  制御ユニット（制御装置）
５２  傾斜センサ（角度センサ）
５７  ６軸力センサ（力センサ）
５８  ベルト（係止具）
５９ａ，５９ｂ  開き角度センサ（角度センサ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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