(57)【要約】【課題】  一輪車を無人で転倒させることなく走行させる。【解決手段】  フレームに車輪を懸架して無人で走行する無人一輪車において、フレームに車輪を駆動する走行用モータを取り付けるとともに、フレームから左腕と右腕を張出させ、フレームにこれら左腕と右腕をそれぞれ水平軸回りの回動と鉛直軸回りの回動をさせる上下用モータと旋回用モータを取り付け、フレームの重心変移で発生する前後方向及び左右方向の転倒モーメントに基づくフレームの転倒を、走行用モータによる車輪の前後移動に基づく前後方向引戻しモーメントと、上下用モータによる左腕又は／及び右腕の水平軸回りの回動に基づく左右方向引戻しモーメントと、旋回用モータによる左腕又は／及び右腕の鉛直軸回りの回動に基づく左右方向引戻しモーメント及び回行時の遠心力に基づく旋回モーメントとを発生させて防ぐ。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレームに車輪を懸架して無人で走行する無人一輪車において、フレームに車輪を駆動する走行用モータを取り付けるとともに、フレームから左腕と右腕を張出させ、フレームにこれら左腕と右腕をそれぞれ水平軸回りの回動と鉛直軸回りの回動をさせる上下用モータと旋回用モータを取り付け、フレームの重心変移で発生する前後方向及び左右方向の転倒モーメントに基づくフレームの転倒を、走行用モータによる車輪の前後移動に基づく前後方向引戻しモーメントと、上下用モータによる左腕又は／及び右腕の水平軸回りの回動に基づく左右方向引戻しモーメントと、旋回用モータによる左腕又は／及び右腕の鉛直軸回りの回動に基づく左右方向引戻しモーメント及び回行時の遠心力に基づく旋回モーメントとを発生させて防ぐことを特徴とする無人一輪車。
【請求項２】
フレームの前後傾斜を前後傾斜センサで、左右傾斜を左右傾斜センサで、旋回を旋回センサでそれぞれ検出するとともに、各センサからの出力を比例制御と微分制御で演算して走行用モータ、上下用モータ及び旋回用モータを駆動して前後方向引戻しモーメント、左右方向引戻しモーメント及び旋回モーメントを発生させる請求項１の無人一輪車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、予め定められたプログラム、無線機による指示或いは地上に引かれたラインに沿って一輪車を転倒することなく走行させる無人一輪車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
すべての機器や装置はその機能を発揮させるために制御部を有しており、最近では、これをコンピュータで制御しているものが多い。各種のゲーム機やロボコン或いは無線で操縦する飛行機や自動車といったアミューズメントの世界でもそうであり、コンピュータで制御をしている。このうち、二輪車の速さや正確さを競うアミューズメントがあるが、二輪車は四輪自動車と違って転倒の虞があることから、速度や旋回といった操縦制御の他に転倒を防ぐ制御も必要になる。
【０００３】
本出願人は、二輪車を無人で走行させる発明を下記特許文献１として提案している。これは下記特許文献２及び３に見られる発明と違い、転倒を防ぐ制御の要素として二輪車の走行速度を取り入れており、これによって転倒を確実に防止しているものである。また、制御に必要な傾斜角や旋回角をレスポンスが早くて高感度が得られる角速度センサで検出し、この検出値を積分して角度を算出するとともに、微分して角加速度を算出し、これらを効果的に採用して正確な制御を可能にしている。
【０００４】
しかし、一輪車では状況が異なる。一輪車は二輪車と違って転倒は左右のみでなく、前後にも生ずるし、バランスを崩して転倒する危険性は二輪車に比べて大きい。実際に人が一輪車に乗る場合を考えてみると、車体の重心が変移して転倒モーメントが発生すると、乗り手は重心移動してこれと逆のモーメントを発生させて姿勢を矯正している。同時に、両手を左右に伸ばして上下や左右に振ってバランスをとったり、旋回させている。しかし、無人一輪車では、乗り手による重心移動のようなことはできないので、両手に代わる部材でバランスをとったり、旋回するしかない。このため、両手に代わる部材の動きがより重要になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特願２００９−１４９５２４号明細書
【特許文献２】実開平０８−００１２６８号公報
【特許文献３】ＷＯ２００４−０５４６７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、バランスを保つ要素としてフレームの左右に左腕と右腕を張出し、これを適宜動作させることで安定した走行をさせるようにしたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上の課題の下、本発明は、請求項１に記載した、フレームに車輪を懸架して無人で走行する無人一輪車において、フレームに車輪を駆動する走行用モータを取り付けるとともに、フレームから左腕と右腕を張出させ、フレームにこれら左腕と右腕をそれぞれ水平軸回りの回動と鉛直軸回りの回動をさせる上下用モータと旋回用モータを取り付け、フレームの重心変移で発生する前後方向及び左右方向の転倒モーメントに基づくフレームの転倒を、走行用モータによる車輪の前後移動に基づく前後方向引戻しモーメントと、上下用モータによる左腕又は／及び右腕の水平軸回りの回動に基づく左右方向引戻しモーメントと、旋回用モータによる左腕又は／及び右腕の鉛直軸回りの回動に基づく左右方向引戻しモーメント及び回行時の遠心力に基づく旋回モーメントとを発生させて防ぐことを特徴とする無人一輪車を提供したものである。
【０００８】
また、本発明は、以上の無人一輪車の姿勢制御の具体的手段として、請求項２に記載した、フレームの前後傾斜を前後傾斜センサで、左右傾斜を左右傾斜センサで、旋回を旋回センサでそれぞれ検出するとともに、各センサからの出力を比例制御と微分制御で演算して走行用モータ、上下用モータ及び旋回用モータを駆動して前後方向引戻しモーメント、左右方向引戻しモーメント及び旋回モーメントを発生させる手段を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の発明によると、フレームから左腕と右腕を張出することで格好のバランス調整具となり、これを所定に動かすことで転倒モーメントとそれぞれ逆の引戻しモーメントを発生させてバランスを保つことができる。この点で、簡単な構造と制御で確実に転倒を防ぐものになる。請求項２の手段によると、各センサの検出値を遅延なく正確に演算して各モータに出力できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る無人一輪車の前面図である。
【図２】本発明に係る無人一輪車の側面図である。
【図３】本発明に係る無人一輪車の一部前面図である。
【図４】本発明に係る無人一輪車の平面図である。
【図５】本発明に係る無人一輪車の制御ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明に係る無人一輪車の前面図であるが、この無人一輪車は、車輪１と、その車軸１ａをフォークで回転自在に懸架するフレーム２と、車軸１ａに連結される走行用モータ３と、フレーム２の左右に架設されるプラットフォーム４と、プラットフォーム４に吊架される左側及び右側の旋回用モータ５、６と、旋回用モータ５、６の出力軸５ａ、６ａで支持される左側及び右側の上下用モータ７、８と、上下用モータ７、８の出力軸７ａ、８ａに取り付けられて先端にウェイト９ａ、１０ａを有する同形状の左腕９及び右腕１０と、フレーム２の上部に設置される制御部１１とからなる。左腕９と右腕１０の先端にウェイト９ａ、１０ａを設けたのは、これら左腕９と右腕１０の動きの影響を大きくするためである。
【００１２】
これにおいて、走行用モータ３、旋回用モータ５、６及び上下用モータ７、８はサーボモータであり、制御部１１からの指令に基づく速度、角度で回転し、車軸１ａを駆動するとともに、左腕９と右腕１０をそれぞれ鉛直軸回りの回動（これを旋回という）と水平軸回りの回動（これを上下回動という）をさせるものになっている。なお、走行用モータ３の出力軸３ａと車軸１ａとは角度をもっていることから、ベベルギア機構１２で連結している。また、フレーム２には、各アクチュエータ（モータ）や制御部１１の電源となるバッテリ１３を搭載している。
【００１３】
さらに、この無人一輪車は、フレーム２の左右及び前後の傾きを検出する左右傾斜センサ１４と前後傾斜センサ１５を装備しているとともに、フレーム２自身の旋回（自転）を検出する旋回センサ１６も装備している。この場合における各センサは、出力のレスポンスが鋭く、感度の高い圧電振動式のものを採用しており、これで左右傾斜、前後傾斜及び旋回の角速度を検出している。なお、これらセンサはフレーム２に防振ゴム１７を介して取り付けられており、誤作動の原因となる振動を遮断している。この他、車軸１ａの回転速度と角度を検出するエンコーダ１８も装備している。
【００１４】
次に、以上の各機器の動作とそれによって生ずるフレーム２の挙動について説明しておく。
【００１５】
１．車輪の移動
図２は一輪車の側面図（腕部は省略）であるが、車輪１を前後に移動させると、フレーム（一輪車全体）２がそれに連れて動くが、フレーム２には慣性があるから、上部ほど動きは小さい。これにより、車輪１を前進させると、フレーム２は後方に傾き、後進させると前方に傾く。したがって、車輪１を前後させることでフレーム２を前後に転倒させる転倒モーメントが生ずるが、これは同時に、（Ａ）前後へ転倒しかかったフレーム２の姿勢を元に戻す前後方向引戻しモーメントになる。なお、このモーメントは車輪１の加速度が大きいほど大きい。
【００１６】
２．両腕の上下回動
図３は両腕９、１０の部分を示す前面図であるが、左腕９又は／及び右腕１０を水平な状態（ｂ）から上下回動させると（ａ）（ｃ）、フレーム２はその反力を受け、回動方向と逆向きのモーメントが発生する。このモーメントはフレーム２を左右に転倒させる転倒モーメントとなるが、一方で、（Ｂ）左右に転倒しかかったフレーム２の姿勢を元に戻す左右方向引戻しモーメントになる。なお、このモーメントは左腕９を上げ、右腕１０を下げると相殺されるが、慣性力の相違によって上げた方のモーメントの方が大きい。また、モーメントの大きさは両腕９、１０の上下の回動加速度による。
【００１７】
３．両腕の旋回
１）図４は無人一輪車の平面図であるが、今、両腕９、１０を４５°前方に出した状態（ａ）から右へ４５°旋回させたとすると（ｂ）、フレーム２の重心は右へずれる。したがって、フレーム２には右方への転倒モーメントが発生するが、一方で、このモーメントは右に転倒しかかったフレーム２の姿勢を左に戻す引戻しモーメントにもなる。同様に、左に旋回させると、フレーム２の重心は左にずれ、左方への転倒モーメントが発生するが、このモーメントは左に転倒しかかったフレーム２の姿勢を右に戻す引戻しモーメントにもなる。
【００１８】
したがって、両腕９、１０を旋回させると、（Ｃ）左右に転倒しかかったフレーム２の姿勢を元に戻す左右方向引戻しモーメントになる。同時に、両腕９、１０を前後させると、フレーム２の重心も前後に移動するから、（Ｄ）前後に転倒しかかったフレーム２の姿勢を元に戻す前後方向引戻しモーメントにもなる。なお、このモーメントの大きさと方向は左腕９と右腕１０のフレーム２からの出っ張り量と方向になる。
【００１９】
２）両腕９、１０を旋回させると、その反力によってフレーム２に旋回モーメントを発生させる。すなわち、両腕９、１０を、例えば、右方に旋回させたとすると、フレーム２は慣性によってそれについて回ろうとして右方に旋回する。この旋回モーメントは車輪１をその方向に舵切りする力になり、その大きさは両腕９、１０の旋回加速度によることになる。このとき、一輪車が走行していると、一輪車は旋回モーメントに応じた舵切り角度で回行することになり、それに伴って遠心力が発生し、その分だけフレーム２は回行外側に重心が移動する。フレーム２の重心が外側に移動すると、外側方向への転倒モーメントとなるが、一方で、（Ｅ）内側に転倒しかかったフレーム２の姿勢を元に引き戻す左右方向引戻しモーメントとなる。
【００２０】
次に、以上の動作による一輪車の姿勢矯正（転倒防止）について説明する。一輪車の転倒は、風、振動、地面の状況等によってフレーム２の重心が車輪１の接地点の鉛直線上から外れる（重心変移）からであり、転倒を防止するには、転倒モーメントの向きと逆向きの同じ大きさの引戻しモーメントを発生させればよい。なお、転倒を起こすのは、一輪車が走行している場合も停止している場合も同じであるし、さらに、転倒モーメントは全方位に生ずるが、ここでは、前後方向、左右方向（回行しているときの遠心力による場合も含む）に分けて説明する。
【００２１】
一．前後方向の姿勢矯正
フレーム２に前後方向に重心変移が生じて、例えば、図２で前方に傾斜角α傾くと、Ｍ・ｇ・Ｈ１  sinαの転倒モーメントが発生し（Ｍ：重心Ｇにおける一輪車の質量、Ｈ１  ：車輪１の接地点から重心までの高さ）、このままでは転倒する。この傾斜角αは前後傾斜センサ１５が検出するから、車輪１を前進させて上記した（Ａ）の引戻しモーメントを発生させれば転倒は免れる。また、両腕９、１０を旋回させての上記した（Ｄ）の引戻しモーメントによってもよい。これら（Ａ）（Ｄ）の両モーメントはどちらをどの位の割合で採用するかは制御部１１が判断することになる。
【００２２】
二．左右方向の姿勢矯正
図１でフレーム２が右に傾斜角β傾くと、Ｍ・ｇ・Ｈ１  sinβの転倒モーメントが発生し、このままでは転倒する。この傾斜角βは左右傾斜センサ１４が検出するから、両腕９、１０を上下回動させて上記した（Ｂ）の引戻しモーメントを発生させれば転倒は免れる。さらに、両腕９、１０を旋回させて上記した（Ｃ）の引戻しモーメントを発生させてもよい。どちらをどの位の割合で採用するかは上記と同じで制御部１１が判断する。
【００２３】
三、旋回させての姿勢矯正
両腕９、１０を旋回させると、フレーム２を旋回させる旋回モーメントが発生し、車輪１は舵切りされる。車輪１が舵切りされれば、一輪車はその方向に回行し、遠心力Ｍ・ｒω2 （ｒ：回転半径、ω：角速度）が発生してフレーム２の重心は回行外側に変移し、転倒モーメントになる。この転倒モーメントは上記した（Ｅ）の内側に転倒しかかったフレーム２の姿勢を矯正する引戻しモーメントともなるから、左右への転倒に対してはこの引戻しモーメントによってもよい。どちらをどの位の割合で採用するかは制御部１１が判断する。ただし、回行している間はこの遠心力による転倒モーメントに抗した逆モーメントを発生させなければならないから、これを上記した（Ｂ）（Ｃ）の引戻しモーメントを発生させて姿勢をバランスさせればよい。
【００２４】
図５は以上の制御を行う制御ブロック図であるが、前後傾斜センサ１５はフレーム２が前後に傾斜する角速度を検出するものであるから、この検出値を積分して傾斜角を算出する。そして、この傾斜角によるフレーム２の倒れを元に戻す引戻しモーメントを発生させるために各アクチュエータへ指令を出すよう検出値を演算処理して走行用モータ３に回転速度及び角度、方向を出力する。このときの演算処理は比例・微分制御で行う。前者は出力値を入力値と目標値の偏差が少なくなるように出力するものであるが、走行用モータ３が作動するまでにはタイムラグがあるから、これを微分制御によって補償している。
【００２５】
左右傾斜センサ１４はフレーム２が左右に傾斜する角速度を検出するものであり、検出値を積分し、算出された傾斜角を使用して比例制御によって旋回用モータ５、６に所定の指令を発する。また、角速度の検出値を使用して微分制御によって上下用モータ７、８に所定の指令を発する。旋回センサ１６はフレーム２の旋回（自転）の角速度を検出するものであり、検出値を積分し、算出した傾斜角を比例・微分制御に加算することによって旋回をコントロールする。
【００２６】
なお、左右傾斜センサ１４や旋回センサ１６からの出力を各アクチュエータに出力する前に、予め図４に示すような旋回用モータ５、６の運動プログラム及び図３に示すような上下用モータ７、８の運動プログラムを設定した腕制御シーケンスを用いて演算処理している。これは、姿勢矯正のための出力は左腕９又は／及び右腕１０をどのように動かすか或いは各アクュエータのどれをどの位動かすかの判断が必要になるからである。
【００２７】
ところで、このような無人一輪車はアミューズメントの目的であり、メカ、ハード、ソフトそれぞれに工夫を要する。したがって、ホビーとしてはもちろんのこと、教材としての利用が考えられる。この無人一輪車を走行させるには、マイコンに予め組み込んだプログラムによる場合と、地面に引いたラインを読み取るライントレースセンサからの信号による場合と、無線機から送信されて来る操縦データによる場合等が考えられるが、これを上手に使いこなすには、マルチタスク・リアルタイム制御が不可欠である。
【００２８】
このため、工業系の高校生、高専生、技術系の大学生の教材として適している。この点で、ロボットコンテストのようにその技術を競う競技会を開催すれば面白い。競技の内容としては、地上に引いたライン上を早く正確に走行する規定競技、旋回、後退、停止といった動作を自由にパフォーマンスさせる自由競技といったことが考えられる。
【符号の説明】
【００２９】
１      車輪
１ａ    車軸
２      フレーム
３      走行用モータ
４      プラットフォーム
５      旋回用モータ
５ａ        〃      の出力軸
６      旋回用モータ
６ａ        〃      の出力軸
７      上下用モータ
７ａ        〃      の出力軸
８      上下用モータ
８ａ        〃      の出力軸
９      左腕
９ａ      〃のウェイト
１０    右腕
１０ａ    〃のウェイト
１１    制御部
１２    ベベルギア機構
１３    バッテリ
１４    左右傾斜センサ
１５    前後傾斜センサ
１６    旋回センサ
１７    防振ゴム
１８    エンコーダ
【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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