(57)【要約】【課題】移動体に搭乗者が乗降する際の安定性を向上させることができる移動体及びその制御方法を提供すること。【解決手段】本発明にかかる移動体１は、駆動輪１１、補助輪１２、状態センサ１３、制御部１４、車体１５、制動装置１６３を備える。車体１５は、駆動輪１１に支持され、搭乗者が搭乗可能である。補助輪１２は、断面が円形状であり、少なくとも走行停止時に接地可能に配置される。また、補助輪１２は、駆動輪１１に対して、搭乗者の乗降時における車体１５への搭乗者の荷重による荷重位置に対応する方向に配置される。状態センサ１３は、車体１５の走行状態を検出する。制御部１４は、走行状態に基づいて駆動輪１１を制御し、車体１５の倒立制御を実行する。制動装置１６３は、補助輪１２の回転を制動する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面が円形状である駆動回転体と、
前記駆動回転体に支持され、搭乗者が搭乗可能な車体と、
前記車体の走行状態を検出する状態検出手段と、
前記走行状態に基づいて前記駆動回転体の駆動を制御し、前記車体の倒立制御を実行する走行制御手段と、
断面が円形状であり、少なくとも走行停止時に接地可能に配置された補助回転体と、
前記補助回転体の回転を制動する制動手段と、を備え、
前記補助回転体は、前記駆動回転体に対して、前記搭乗者の乗降時における前記車体への搭乗者の重量による荷重位置に対応する方向に配置される移動体。
【請求項２】
前記補助回転体は、前記荷重位置と前記補助回転体の接地点との距離が、前記荷重位置と前記駆動回転体の接地点との距離に比べて短くなるように配置される請求項１に記載の移動体。
【請求項３】
前記車体は、前記荷重位置に前記搭乗者の乗降を支持する乗降支持部材を有する請求項１または２に記載の移動体。
【請求項４】
前記乗降支持部材は、前記搭乗者が前記車体に乗降する際に、足を乗せるステップである請求項３に記載の移動体。
【請求項５】
前記乗降支持部材は、前記補助回転体の直上よりも前記駆動回転体側に設けられている請求項３または４に記載の移動体。
【請求項６】
前記補助回転体は、前記駆動回転体の前方または後方の少なくとも一方に設けられる請求項１〜５のいずれか一項に記載の移動体。
【請求項７】
前記車体は、前記搭乗者が座るシートをさらに有する請求項１〜６のいずれか一項に記載の移動体。
【請求項８】
前記制動手段は、前記走行状態のうち、少なくとも前記移動体の速度に基づいて、前記補助回転体の回転を制動する請求項１〜７のいずれか一項に記載の移動体。
【請求項９】
前記補助回転体と走行面との距離を調整する接地調整手段をさらに備える請求項１〜８のいずれか一項に記載の移動体。
【請求項１０】
前記接地調整手段は、少なくとも前記移動体の速度に基づいて、前記補助回転体と走行面との距離を調整する請求項９に記載の移動体。
【請求項１１】
断面が円形状である駆動回転体に支持され、搭乗者が搭乗可能な車体の走行状態を検出し、
前記走行状態に基づいて前記駆動回転体の駆動を制御して前記車体の倒立制御を実行させ、
断面が円形状であり、少なくとも走行停止時に接地可能に配置された補助回転体を制動し、
前記搭乗者が乗降する場合には、前記駆動回転体に対して、前記搭乗者の乗降時における前記車体への搭乗者の重量による荷重位置に対応する方向に前記補助回転体を接地する移動体の制御方法。
【請求項１２】
前記荷重位置と前記補助回転体の接地点との距離が、前記荷重位置と前記駆動回転体の接地点との距離に比べて短くなるように前記補助回転体を接地する請求項１１に記載の移動体の制御方法。
【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し、特に倒立制御を行う移動体及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、倒立制御を行い、人間を搭乗させて走行する移動体が提案されている。当該移動体は、走行時には、移動体に設けられた駆動輪の駆動を制御することにより、倒立制御を行っている。
【０００３】
一方、停車時には、倒立制御が解除されるため、車体が前後にふらついてしまうおそれがある。そこで、駆動輪を制動（ブレーキ）させることにより、移動体に乗降する際の容易性、安定性を担保している。そのため、移動体は、駆動輪の駆動を制動する装置を搭載している。このとき、駆動輪の制動装置として、駆動輪回転部を機械的に保持するものや、駆動用モータの電磁ブレーキ機能を利用したものが挙げられる。
【０００４】
また、特許文献１には、移動体の停車時の安定性を高めるために、駆動輪の前後において接地している支持脚を備える移動体が開示されている。これによって、停車時に車体がふらつくことを防止している。
【０００５】
特許文献２には、車椅子の前輪と後大輪に加えて、後大輪の後方に補助輪を設ける技術が開示されている。補助輪を設けることにより、当該車椅子の搭乗者の着座姿勢に起因する不安定感を解消し、安定性の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２１４６７０号公報
【特許文献２】特開２００５−１６０６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、駆動輪を制動すると、路面の形状や搭乗者の姿勢によっては、十分な制動力が発揮できず、乗降時に移動体が不安定になる場合が生じる。そのため、移動体が前後左右に意図せず移動してしまい、搭乗者の乗降が困難となってしまうという問題がある。例えば、斜面で停車中の移動体に搭乗者が搭乗しようとした場合に、搭乗者が駆動輪と走行面との接地点から離れた位置に体重をかけたことが影響して、制動された駆動輪に十分な接地荷重がかからず、移動体を制動可能な制動力が発揮できない可能性がある。その結果、駆動輪自体は制動されているものの、搭乗者と一緒に移動体全体が斜面を下ってしまうという可能性がある。
【０００８】
また、上述の特許文献１及び２に記載された技術は、搭乗者が移動体または車椅子に搭乗している状態の安定性の向上を図る技術である。しかし、上記のような搭乗者が乗降する際の安定性については何ら対策が図られていない。
【０００９】
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、移動体に搭乗者が乗降する際の安定性を向上させることができる移動体及びその制御方法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】
【００１０】
本発明にかかる移動体は、断面が円形状である駆動回転体と、前記駆動回転体に支持され、搭乗者が搭乗可能な車体と、前記車体の走行状態を検出する状態検出手段と、前記走行状態に基づいて前記駆動回転体の駆動を制御し、前記車体の倒立制御を実行する走行制御手段と、断面が円形状であり、少なくとも走行停止時に接地可能に配置された補助回転体と、前記補助回転体の回転を制動する制動手段と、を備え、前記補助回転体は、前記駆動回転体に対して、前記搭乗者の乗降時における前記車体への搭乗者の重量による荷重位置に対応する方向に配置されるものである。このような構成によって、搭乗者が乗降する際に、制動された補助輪に荷重がかかるため、移動体を制動させることができる。そのため、乗降時の安定性を向上させることができる。
【００１１】
本発明にかかる移動体の制御方法は、断面が円形状である駆動回転体に支持され、搭乗者が搭乗可能な車体の走行状態を検出し、前記走行状態に基づいて前記駆動回転体の駆動を制御して前記車体の倒立制御を実行させ、断面が円形状であり、少なくとも走行停止時に接地可能に配置された補助回転体を制動し、前記搭乗者が乗降する場合には、前記駆動回転体に対して、前記搭乗者の乗降時における前記車体への搭乗者の重量による荷重位置に対応する方向に前記補助回転体を接地するものである。これによって、搭乗者が乗降する際の移動体の制動力が増加し、乗降時の安定性の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、移動体に搭乗者が乗降する際の安定性を向上させることができる移動体及びその制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態にかかる移動体の停車時の側面図である。
【図２】実施の形態にかかる移動体の走行時の側面図である。
【図３】実施の形態にかかる移動体の制御システムのブロック図である。
【図４】実施の形態にかかる制動装置の動作を説明するための図である。
【図５】実施の形態にかかる制動装置の動作を説明するための図である。
【図６】実施の形態にかかる搭乗者が移動体に乗降する際の図である。
【図７】関連する移動体の荷重分布を示す図である。
【図８】関連する移動体の乗降時の荷重分布を示す図である。
【図９】関連する移動体の乗降時の荷重分布を示す図である。
【図１０】実施の形態にかかる移動体の乗降時の図である。
【図１１】実施の形態にかかる移動体の乗降時の図である。
【図１２】関連する移動体の走行時の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。本発明にかかる移動体１は、搭乗者の操作によって倒立制御を行いながら走行するものである。移動体１の構成例を図１及び図２に示す。なお、図１は停車時の移動体１の側面図であり、図２は走行時の移動体１の側面図である。
【００１５】
移動体１は、駆動輪１１、補助輪１２、状態センサ１３、制御部１４、車体１５を備える。移動体１は、駆動輪１１が駆動することによって走行する。駆動輪１１は車体１５の反対側にもう１つ設けられており、２つの駆動輪１１は同軸上に配置されている。補助輪１２は、駆動輪１１の前方及び後方に設けられており、停車時には走行面と接地する。また、図２に示したように、移動体１の走行時には、補助輪１２は走行面から離地する。なお、走行時に必ずしも補助輪１２を離地させる必要はない。
【００１６】
状態センサ１３は、例えば、ジャイロセンサ、回転角センサ、加速度センサ等から構成されており、移動体１の各種の走行状態（実状態）を検出する。走行状態とは、例えば、車体１５の姿勢角度及び角速度、駆動輪１１の回転角度及び角速度、移動体１の速度及び加速度、補助輪１２の高さ等であり、倒立制御に必要な移動体１の状態を示すパラメータである。
【００１７】
制御部１４は、走行制御部１４１、補助輪高さ制御部１４２、制動力制御部１４３を備える（図示省略）。走行制御部１４１は、状態センサ１３が検出した走行状態に基づいて、移動体１の倒立制御を行うように制御信号を算出し、駆動輪１１を駆動させるモータ駆動部に送出する。補助輪高さ制御部１４２は、補助輪１２の高さ（走行面と補助輪１２との距離）を決める制御信号を算出し、補助輪１２の高さを調整するモータ駆動部に送出する。制動力制御部１４３は、補助輪１２を制動する制御信号を算出し、補助輪１２の回転を制動させる制動装置に送出する。
【００１８】
車体１５は、搭乗者が搭乗する部分であり、駆動輪１１及び補助輪１２によって支持される。車体１５は、搭乗者が座るためのシート１５１、搭乗者の乗降を支持するステップ１５２（乗降支持部材）を有する。ステップ１５２は、搭乗者が車体１５に乗降する際に車体１５へ搭乗者の重量による荷重がかかる位置（以下、荷重位置と称す）に設けられている。搭乗者はステップ１５２に足を乗せて車体１５に搭乗する。なお、シート１５１及びステップ１５２の形状や配置は図１及び図２に示すものに限られない。
【００１９】
続いて、図３に示したブロック図を用いて、移動体１の制御システムについて説明する。まず、移動体１の走行制御について説明する。搭乗者の車体１５に対する操作（ハンドル操作等）や搭乗者の体重移動による車体１５の姿勢等から目標状態（移動体１の目標速度、目標姿勢）が算出される。そして、走行制御部１４１は、状態センサ１３が検出した移動体１の実状態と目標状態との偏差を減らすように、モータ駆動部１６１に対する制御信号（目標速度、目標トルク）を算出し、モータ駆動部１６１に送出する。モータ駆動部１６１は、入力された制御信号に応じて駆動輪１１を駆動させる。状態センサ１３は、駆動輪１１の駆動によって変化した実状態を検出する。走行制御部１４１は、再び実状態と目標状態との偏差を減らすように制御を行う。以上の走行制御によって、移動体１を目標状態へと近づける。
【００２０】
次に、補助輪１２の高さ制御について説明する。補助輪高さ制御部１４２は、状態センサ１３が検出した実状態に基づいて、制御信号（補助輪１２の目標高さ）を算出し、モータ駆動部１６２に送出する。モータ駆動部１６２（接地調整手段）は、補助輪１２の高さが目標高さとなるように、モータによって補助輪１２の高さを調整する。
【００２１】
具体的には、移動体１の停車時（図１参照）、つまり移動体１の実状態の速度が略ゼロの場合には、補助輪高さ制御部１４２は、補助輪１２を走行面に接地させる制御信号をモータ駆動部１６２へ送出する。一方、移動体１の走行時（図２参照）、つまり実状態の移動体１の速度が略ゼロでない場合は、補助輪高さ制御部１４２は、補助輪１２を走行面から離地させる制御信号をモータ駆動部１６２へ送出する。このとき、車体１５の姿勢角度等も考慮して、補助輪１２が走行面に接地しない高さを算出してもよい。
【００２２】
最後に、補助輪１２の制動制御について説明する。制動力制御部１４３は、状態センサ１３が検出した実状態に基づいて、制御信号（補助輪１２の回転を制動する制動力）を算出し、制動装置１６３に送出する。制動装置１６３（補助輪制動手段）は、入力された制動力に応じて、補助輪１２が回転しないように制動する。これによって、移動体１が制動される。
【００２３】
つまり、補助輪１２が、上述した補助輪高さ制御部１４２の制御によって走行面と接地されると、移動体１及び搭乗者の重量による荷重が補助輪１２にかかる。そのため、補助輪１２は走行面から当該荷重に応じた床反力を受ける。その一方で、補助輪１２は制動されているため、補助輪１２と走行面との間には摩擦が生じる。その結果、補助輪１２が受ける床反力（補助輪１２にかかる垂直荷重）と補助輪１２の摩擦係数とから算出される摩擦力が生じ、移動体１は走行面上に制動する。
【００２４】
ここで、図４及び図５を用いて、制動装置１６３の構成例について詳細に説明する。図４に示した制動装置１６３の制動は、摩擦片１６３１を補助輪１２の回転部１２１（シャフトの円筒外面）に押し付ける方法によって行われる。制動装置１６３は、補助輪１２を制動しない場合（フリー状態）には、摩擦片１６３１を回転部１２１から離す。それに対して、補助輪１２を制動する場合（ロック状態）には、制動装置１６３は、摩擦片１６３１を回転部１２１に押し付けて補助輪１２の回転を防止する。
【００２５】
一方、図５に示した制動装置１６３の制動は、回転部１２１に設けられた凹凸部に、爪１６３２を噛み合わせる方法によって行われる。フリー状態においては、制動装置１６３は回転部１２１から爪１６３２を離す。それに対して、ロック状態においては、制動装置１６３は爪１６３２を回転部１２１の凹部に噛み合わせて補助輪１２の回転を防止する。
【００２６】
続いて、本実施の形態にかかる移動体１の動作例について説明する。上述したように、一般的に、移動体への乗降時（図６参照）には、車体１５のふらつきを防止するために駆動輪１１を制動して移動体の安定性を確保する。しかし、駆動輪１１のみを制動させる制動装置を備える移動体９においては次のような問題が考えられる。
【００２７】
図７は、移動体の重量による荷重分布を示す図である。移動体の重心９０を中心として、走行面に荷重９２がかかる。また、移動体は荷重９２に対応した床反力９３を受け、床反力９３と駆動輪１１の摩擦係数とに基づく制動力９４により制動される。
【００２８】
次に、図８に示すように、搭乗者１００が乗降時にステップ１５２の上に乗る場合について考える。このとき、ステップ１５２には、搭乗者１００の体重によって荷重９１がかかる。また、走行面と駆動輪１１及び補助輪１２との接地点においては、移動体９と搭乗者１００との重量に対応する荷重により、走行面には搭乗者１００から移動体９の重心９０までの距離に応じた荷重９２がかかる。一方、駆動輪１１及び補助輪１２は、接地点において走行面から荷重９２に対応する床反力９３を受ける。
【００２９】
このとき、図８のように、制動された駆動輪１１と走行面との接地点から離れて配置された補助輪１２よりも駆動輪１１に対して外側の位置に、搭乗者１００による荷重９１がかかると、接地点９７周りにモーメント９５が発生する。そのため、移動体９の重心９０には上向きの力９６が発生し、駆動輪１１が受ける床反力９３は小さくなる。そのため、駆動輪１１と走行面との間の摩擦力は低下し、移動体９の制動力９４が減少する。その結果、移動体９が不安定になり、搭乗の際に前後方向に移動してしまう可能性が生じる。
【００３０】
さらに、図９に示すように、傾斜面において乗降する場合には、移動体９はさらに不安定となる。つまり、制動された駆動輪１１が走行面から受ける床反力９３がさらに減少し、場合によっては駆動輪１１が走行面から離れてしまい、床反力９３がゼロとなるおそれもある。そのため、制動力９４（摩擦力）はさらに低下し、駆動輪１１が走行面から離地した場合においては制動力９４がゼロとなる。すると、移動体９は搭乗者１００の乗降の際に傾斜面を下ってしまう可能性が生じる。
【００３１】
これに対して、本発明にかかる移動体１によると、駆動輪１１の前後に設けられた補助輪１２を制動する。すると、補助輪１２と走行面との間には摩擦力が生じる。このとき、図１０に示すように、ステップ１５２が制動された補助輪１２と同じ方向に設けられており、搭乗者１００の荷重がかかるステップ１５２と補助輪１２の接地点との距離は、ステップ１５２と駆動輪１１の接地点との距離よりも短い。また、走行面にかかる荷重９２は搭乗者１００に近いほど大きくかかるため、乗降の際、補助輪１２には駆動輪１１よりも大きな荷重９２がかかる。そのため、補助輪１２が走行面から受ける床反力９３も大きくなる。その結果、補助輪１２と走行面との間の摩擦力は、駆動輪１１と走行面との間の摩擦力よりも大きくなるため、十分な制動力９４を維持することができる、したがって、乗降時の移動体１の安定性の向上を図ることができる。なお、補助輪１２に加えて駆動輪１１にも制動装置を設けてもよい。
【００３２】
同様に、傾斜面において搭乗者１００が乗降する場合を図１１に示す。上記したように移動体１においては、搭乗者１００と制動された補助輪１２の接地点との距離が近い。そのため、傾斜面の場合でも補助輪１２が受ける床反力９３は、駆動輪１１が受ける床反力９３ほど減少せず、摩擦力の低下も少ない。その結果、傾斜面における乗降であっても、移動体１の制動力９４の低下は少なく、移動体１の安定性の向上を図ることができる。このとき、補助輪１２にかかる荷重９２（床反力９３）を最大化するため、搭乗者１００の乗降時に荷重９１がかかるステップ１５２は、補助輪１２の接地点の直上よりも駆動輪１１側に設けられていることが好ましい。
【００３３】
なお、図１０及び図１１に示した移動体１は、駆動輪１１の前後の双方に補助輪１２が設けられた構成となっているが、この構成に限られるものではない。補助輪１２が駆動輪１１に対して荷重位置の方向（搭乗者が乗降する方向）に設けられていれば、上述した本発明の効果を発揮できる。すなわち、補助輪１２は、荷重位置に対応して配置されていれば、駆動輪１１の前方及び後方のいずれか一方に配置されていてもよいし、車体１５の側方に配置されていてもよい。
【００３４】
その他の実施の形態
上記の実施の形態では、移動体１の走行状態において補助輪１２と走行面とが接地するか否かは特に限定していないが、走行時には補助輪１２を離地させ、かつ、駆動輪１１に制動装置を設けない構成としてもよい。
【００３５】
ここで、上述した駆動輪１１を制動する制動装置を備える移動体９について考えると、移動体９は走行中においても問題が生じる。図１２に示すように、移動体９は、走行時には補助輪１２を走行面から離地させる。このとき、何らかの原因で制動装置が誤作動を起こし、駆動輪１１を制動させてしまうと、回転していた駆動輪１１は急にロックすることになる。すると、移動体９は、安定した倒立状態を維持することが困難となる。
【００３６】
これに対して、本実施の形態にかかる移動体２は、上記の移動体９と同様に補助輪１２を走行面から離地させて走行するが、駆動輪１１ではなく補助輪１２に制動装置が設けられている。また、移動体２は、駆動輪１１には制動装置を備えていない。そのため、万一、走行中に補助輪１２の制動装置が働き、補助輪１２が制動されたとしても、移動体２の倒立制御には何ら影響を与えない。
【００３７】
すなわち、移動体２は、駆動輪１１に制動装置を設けずに、補助輪１２に制動装置を設け、さらに補助輪高さ制御部１４２を備えることにより、制動装置の誤作動に起因する不安定な倒立状態を回避することができる。
【００３８】
このとき、走行時に補助輪１２が接地されていてもよい。補助輪１２を接地して走行する場合であっても、補助輪１２が、車体１５の姿勢や走行面の形状等に応じて上下動自在であり、補助輪１２と車体１５との相対的な位置関係が固定されなければ、移動体２の倒立制御には影響を与えない。つまり、補助輪１２の制動装置が誤作動を起こしてロックした場合であっても、相対的な位置関係が固定されていないため、補助輪１２には荷重がかからない。そのため、補助輪１２が走行中に制動しても移動体２の走行には影響を与えない。
【００３９】
なお、上記したように、移動体２の駆動輪１１のロックによる不安定な倒立状態を回避するためには、駆動輪１１に替えて補助輪１２に制動装置を設ければよい。つまり、駆動輪１１のロックによる不安定な倒立状態を回避するためには、上記の実施の形態において、移動体１に関して述べた搭乗者の乗車方向と補助輪１２の配置方向との関係は必要ではない。
【００４０】
しかしながら、移動体２における補助輪１２の配置を移動体１と同様に規定してもよい。これにより、上記の走行時の安定性に加えて、乗降時の安定性も高めることができる。すなわち、移動体２の停車時には、駆動輪１１に対して荷重位置側において、補助輪１２が走行面に接地されることにより、補助輪１２に荷重がかかる。そのため、駆動輪１１に制動装置を設けていなくても、上記の実施の形態において説明したように、制動された補助輪１２において制動力が発生する。その結果、移動体２が制動されるため、乗降時の安定性も向上させることができる。
【００４１】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、本実施の形態にかかる移動体１はシート１５１を備え、搭乗者が座って走行する構成となっているが、これに限られたものではなく、搭乗者が起立状態で走行する構成であってもよい。駆動輪１１及び補助輪１２の数も実施の形態における数に限られず、１つ以上であればよい。駆動輪１１及び補助輪１２の構成についても、車輪のような円柱に限られず、球体であってもよい。
【００４２】
また、補助輪１２の高さ調整は、上述のように、モータ駆動部１６２によって補助輪１２の高さを調整しているが、この構成に限られない。例えば、車体１５と補助輪１２との相対的な位置関係を固定しておき、アクティブサスペンション等を用いて車体１５全体を上下移動させることによって、補助輪１２と走行面との距離を調整してもよい。さらに、補助輪１２の高さ調整は、搭乗者の手動によって行ってもよい。同様に、補助輪１２の制動についても、移動体の実状態に基づいて制御するのではなく、搭乗者の手動切り替えによって行ってもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１、２、９  移動体
１１  駆動輪
１２  補助輪
１３  状態センサ
１４  制御部
１５  車体
９０  移動体の重心
９１、９２  荷重
９３  床反力
９４  制動力
９５  モーメント
９６  力
９７  接地点
１００  搭乗者
１２１  回転部
１４１  走行制御部
１４２  補助輪高さ制御部
１４３  制動力制御部
１５１  シート
１５２  ステップ
１６１、１６２  モータ駆動部
１６３  制動装置
１６３１  摩擦片
１６３２  爪
【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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