(57)【要約】【課題】大幅なコストアップを招くことなく、倒立同軸二輪車両の前後移動におけるハンドル操作に依存する程度を推定することができる。【解決手段】台車部と、ハンドルと、左右一対の車輪と、台車部の搭乗部における、前方側の位置と後方側の位置に夫々設けられ、該前方側の位置と該後方側の位置にかかる荷重をそれぞれ検出する荷重センサと、台車部のピッチ角速度を検出するピッチ角速度センサと、を備える倒立同軸二輪車両のハンドル操作の程度推定方法であって、荷重センサによりそれぞれ検出された前方側及び後方側の荷重を用いて、基準位置における、前方側モーメントと後方側モーメントとの差分であるモーメント差分を算出し、算出したモーメント差分と、ピッチ角速度センサが検出したピッチ角速度と、を用いて、搭乗者がどの程度、ハンドルの操作に依存しているか推定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
搭乗者の足が乗る搭乗部が設けられた台車部と、
前記台車部の前方に立設されたハンドルと、
前記台車部に設けられ、駆動部によって駆動される左右一対の車輪と、
前記搭乗部における、前方側の位置と後方側の位置に夫々設けられ、該前方側の位置と該後方側の位置にかかる荷重をそれぞれ検出する荷重センサと、
前記台車部のピッチ角速度を検出するピッチ角速度センサと、
を備え、搭乗者が搭乗し倒立状態を維持して走行する倒立同軸二輪車両のハンドル操作の程度推定方法であって、
前記荷重センサによりそれぞれ検出された前方側及び後方側の荷重を用いて、基準位置における、前方側モーメントと後方側モーメントとの差分であるモーメント差分を算出し、
算出した前記モーメント差分と、前記ピッチ角速度センサが検出したピッチ角速度と、を用いて、搭乗者がどの程度、前記ハンドルの操作に依存しているか推定する、倒立同軸二輪車両のハンドル操作の程度推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、倒立同軸二輪車両のハンドル操作の程度推定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ジャイロセンサや加速度センサなどの検出信号から自己の姿勢情報を検出して、倒立制御等を行うことにより、自己の姿勢を維持するように車輪の回転を制御する、倒立同軸二輪車両が知られている。特許文献１には、バーを介して搭乗者が把持可能なハンドルが設けられた倒立同軸二輪車両が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５３３８７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記倒立同軸二輪車両は、搭乗者の身体機能やバランス機能の改善を図るための訓練装置として利用されている。すなわち、訓練装置としての倒立同軸二輪車両では、倒立状態の安定性を意図的に低下させた状態で、搭乗者が身体の重心移動等によって走行操作を行う。しかしながら、特許文献１に開示された倒立同軸二輪車両では、搭乗者は、身体の重心移動をしなくても、腕、手によってハンドルを前後操作することによって車両の前後移動の操作をすることができる。このため、搭乗者は、身体の重心移動よりも容易である、腕、手によるハンドルの前後操作に頼りがちになる傾向がある。搭乗者がハンドルの前後操作によって車両の前後移動の操作をする場合、期待したバランス訓練の効果が得られないという問題がある。
【０００５】
このような問題を回避するため、ハンドルの操作量を推定するセンサシステムを設置して、推定したハンドルの操作量が規定値以上担った場合に、ハンドルの前後操作に頼っている旨を警報等により搭乗者に通知して重心移動による操作を促すことが考えられる。しかしながら、ハンドルの操作量を推定するセンサシステムを設置すると、荷重センサやその制御機器、取り付け部品などが必要になるため、大幅なコストアップになる。
【０００６】
本発明は、以上の背景に鑑みなされるものであり、大幅なコストアップを招くことなく、倒立同軸二輪車両の前後移動におけるハンドル操作に依存する程度を推定することができる、倒立同軸二輪車両のハンドル操作の程度推定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】
本発明は、搭乗者の足が乗る搭乗部が設けられた台車部と、前記台車部の前方に立設されたハンドルと、前記台車部に設けられ、駆動部によって駆動される左右一対の車輪と、前記搭乗部における、前方側の位置と後方側の位置に夫々設けられ、該前方側の位置と該後方側の位置にかかる荷重をそれぞれ検出する荷重センサと、前記台車部のピッチ角速度を検出するピッチ角速度センサと、を備え、搭乗者が搭乗し倒立状態を維持して走行する倒立同軸二輪車両のハンドル操作の程度推定方法であって、前記荷重センサによりそれぞれ検出された前方側及び後方側の荷重を用いて、基準位置における、前方側モーメントと後方側モーメントとの差分であるモーメント差分を算出し、算出した前記モーメント差分と、前記ピッチ角速度センサが検出したピッチ角速度と、を用いて、搭乗者がどの程度、前記ハンドルの操作に依存しているか推定するものである。
【０００８】
搭乗者が倒立同軸二輪車両を重心移動だけで操作している場合、モーメント差分と倒立同軸二輪車両のピッチ角速度との間には相関があることが分かっている。すなわち、搭乗者が倒立同軸二輪車両を重心移動だけで操作している場合、モーメント差分と倒立同軸二輪車両における台車部のピッチ角速度との関係はほぼ比例することが分かっている。このため、モーメント差分から算出した理論上の台車部のピッチ角速度と、ピッチ角速度センサで検出した台車部のピッチ角速度と、を比較することによって、搭乗者がどの程度ハンドル操作に依存しているか推定することができる。また、倒立同軸二輪車両において、荷重センサやピッチ角速度センサは、駆動部の制御のために装備されているケースも多い。これらの荷重センサやピッチ角速度センサを用いて、搭乗者がどの程度、前記ハンドルの操作に依存しているか推定するので、大幅なコストアップを招くことはない。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、大幅なコストアップを招くことなく、倒立同軸二輪車両の前後移動におけるハンドル操作に依存する程度を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る倒立同軸二輪車両の概略的な構成を示す概略図である。
【図２】本実施形態に係る倒立同軸二輪車両の概略的なシステム構成を示すブロック図である。
【図３】基準位置における、前方側モーメントと後方側モーメントとの差分（モーメント差分）について説明する模式図である。
【図４】搭乗者が、重心移動により倒立同軸二輪車両を前後移動させた場合のモーメント差分と倒立同軸二輪車両のピッチ角速度との関係の一例を示すグラフである。
【図５】搭乗者が、重心移動とハンドル操作の両方により倒立同軸二輪車両１を前後移動させた場合のモーメント差分と倒立同軸二輪車両のピッチ角速度との関係の一例を示すグラフである。
【図６】倒立同軸二輪車両のハンドル操作の程度を推定する処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図７】倒立同軸二輪車両のハンドル操作の程度を推定する処理の流れの別の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る倒立同軸二輪車両の概略的な構成を示す概略図である。本実施形態に係る倒立同軸二輪車両１は、搭乗者が搭乗し倒立状態を維持して走行するもので、搭乗者の身体機能やバランス機能の改善を図るための訓練装置として利用される。すなわち、倒立同軸二輪車両１を訓練装置として利用する場合、例えば、倒立状態の安定性を意図的に低下させた状態で、搭乗者が身体の重心移動等によって走行操作を行う。
【００１２】
倒立同軸二輪車両１は、例えば、搭乗者が搭乗する台車部２と、台車部２の前方に立設され搭乗者が操作するハンドル３と、台車部２に回転可能に設けられた一対の車輪４と、を備えている。
【００１３】
台車部２の上面には、搭乗者の左右足が夫々乗る左右一対のステップ部２１が設けられている。ステップ部２１は、搭乗部の一具体例である。台車部２の左右側面には、左右一対の車輪４が回転可能に夫々設けられている。ハンドル３は、例えば、台車部２の前方側かつ中央付近に前後方向へ傾斜可能に設けられている。
【００１４】
本実施形態に係る倒立同軸二輪車両１には各種センサが取り付けられている。すなわち、本実施形態に係る倒立同軸二輪車両１は、ピッチ角速度センサとしての姿勢センサ５と、左右一対の回転センサ６と、ステップ部２１にかかる荷重を検出する第１荷重センサ１１、第２荷重センサ１２、第３荷重センサ１３及び第４荷重センサ１４と、を備えている。
【００１５】
第１荷重センサ１１は、右側のステップ部２１の前方側に設けられている。第１荷重センサ１１は、搭乗者の右足の爪先による荷重を検出する。第２荷重センサ１２は、右側のステップ部２１の後方側に設けられている。第２荷重センサ１２は、搭乗者の右足の踵による荷重を検出する。
【００１６】
第３荷重センサ１３は、左側のステップ部２１の前方側に設けられている。第３荷重センサ１３は、搭乗者の左足の爪先による荷重を検出する。第４荷重センサ１４は、左側のステップ部２１の後方側に設けられている。第４荷重センサ１４は、搭乗者の左足の踵による荷重を検出する。
【００１７】
ピッチ角速度センサとしての姿勢センサ５は、例えば、ジャイロセンサを含み、搭乗者が重心を前後へ移動させることで生じた台車部２のピッチ角度（傾斜角度）の速度（ピッチ角速度）を検出する。姿勢センサ５は、ジャイロセンサの他に、加速度センサ、角度センサなどを含んでいてもよく、これらによって、ピッチ角度、ピッチ角加速度、ロール角度、ロール角速度、ロール角加速度、ヨー角度、ヨー角速度、ヨー角加速度等の姿勢情報を検出するようにしてもよい。
【００１８】
回転センサ６は、台車部２に設けられた左右の車輪４にそれぞれ設けられ、左右の車輪４のそれぞれの回転数、回転角度、回転速度、回転加速度等の回転情報を検出する。回転センサ６は、例えば、エンコーダである。
【００１９】
図２は、本実施形態に係る倒立同軸二輪車両の概略的なシステム構成を示すブロック図である。
各車輪駆動ユニット７は、駆動部の一具体例である。各車輪駆動ユニット７は、台車部２に回転可能に設けられた各車輪４を夫々駆動することで、台車部２を走行させる。各車輪駆動ユニット７は、例えば、モータと、モータの回転軸に動力伝達可能に連結された減速ギアなどによって構成することができる。モータを駆動する駆動回路１０は、例えば、モータドライバＩＣ（Integrated Circuit）やＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）などである。各車輪駆動ユニット７は、制御装置８に接続されており、制御装置８からの制御信号（回転指令値）に応じて、各車輪４を駆動する。
【００２０】
第１荷重センサ１１、第２荷重センサ１２、第３荷重センサ１３及び第４荷重センサ１４は、それぞれ、ステップ部２１にかかる荷重の検出値を制御装置８に出力する。姿勢センサ５は、制御装置８に接続されており、検出した姿勢情報を制御装置８に対して出力する。回転センサ６は、制御装置８に接続されており、検出した回転情報を制御装置８に対して出力する。
【００２１】
制御装置８は、台車部２が、例えば、倒立状態を維持する倒立制御を行いつつ、所望の走行（前進、後進、加速、減速、停止、左旋回、右旋回等）を行うように、各車輪駆動ユニット７を制御して、各車輪４の回転を制御する。制御装置８は、姿勢センサ５により検出された台車部２の姿勢情報と、回転センサ６により検出された各車輪４の回転情報と、に基づいて、フィードバック制御、ロバスト制御等の周知の制御を行う。また、制御装置８は、倒立同軸二輪車両１のハンドル操作の程度を推定する。倒立同軸二輪車両１のハンドル操作の程度を推定する方法の詳細については後述する。
【００２２】
なお、制御装置８は、例えば、制御処理、演算処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）８ａ、ＣＰＵ８ａによって実行される制御プログラム、演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）からなるメモリ８ｂ、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）８ｃ、などからなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。ＣＰＵ８ａ、メモリ８ｂ、及びインターフェイス部８ｃは、データバスなどを介して相互に接続されている。
【００２３】
次に、倒立同軸二輪車両１のハンドル操作の程度を推定する方法について説明する。なお、以下の説明では図１も適宜参照する。
【００２４】
図３は、基準位置における、前方側モーメントと後方側モーメントとの差分（モーメント差分）について説明する模式図である。ここで、前方側荷重Ｆ１は、第１荷重センサ１１及び第３荷重センサ１３によりそれぞれ検出された荷重に基づいて算出された、倒立同軸二輪車両１におけるステップ部２１の前方側にかかる荷重である。例えば、前方側荷重Ｆ１は、第１荷重センサ１１及び第３荷重センサ１３によりそれぞれ検出された荷重の和により求める。また、後方側荷重Ｆ２は、第２荷重センサ１２及び第４荷重センサ１４によりそれぞれ検出された荷重に基づいて算出された、倒立同軸二輪車両１におけるステップ部２１の後方側にかかる荷重である。例えば、前方側荷重Ｆ２は、第２荷重センサ１２及び第４荷重センサ１４によりそれぞれ検出された荷重の和により求める。なお、本実施の形態では、図３に示すように、車輪４の中心を基準位置Ｐ１としている。
【００２５】
前方側荷重Ｆ１の作用する位置の基準位置Ｐ１からの距離をＬ１とすると、前方側モーメントＭ１は式（１）で表される。
Ｍ１＝Ｆ１・Ｌ１  ・・・（１）
後方側荷重Ｆ２の作用する位置の基準位置Ｐ１からの距離をＬ２とすると、後方側モーメントＭ２は式（２）で表される。
Ｍ２＝Ｆ２・Ｌ２  ・・・（２）
【００２６】
よって、基準位置に対する前方側モーメントＭ１と後方側モーメントＭ２の差であるモーメント差分ΔＭは式（３）で表される。
ΔＭ＝Ｍ１―Ｍ２＝Ｆ１・Ｌ１−Ｆ２・Ｌ２  ・・・（３）
【００２７】
モーメント差分ΔＭがプラスかマイナスかにより、倒立同軸二輪車両１が前方側、後方側のいずれに傾いているかを判定することができる。すなわち、モーメント差分ΔＭが、プラスである場合は前方側に、マイナスである場合は後方側に傾いていると判定できる。このように、モーメント差分ΔＭは各荷重センサ（第１乃至第４荷重センサ１１、１２、１３、１４）によって検出された前後荷重より算出することができる。
【００２８】
搭乗者が倒立同軸二輪車両１を重心移動だけで操作している場合、モーメント差分ΔＭと倒立同軸二輪車両１における台車部２のピッチ角速度との間には相関があることが分かっている。すなわち、搭乗者が倒立同軸二輪車両１を重心移動だけで操作している場合、モーメント差分ΔＭと倒立同軸二輪車両１のピッチ角速度との関係はほぼ比例することが分かっている。このため、モーメント差分から算出した理論上の台車部２のピッチ角速度と、姿勢センサ５に含まれるジャイロセンサで検出した台車部２のピッチ角速度と、を比較することによって、搭乗者がどの程度ハンドル操作に依存しているか推定することができる。
【００２９】
倒立同軸二輪車両において、荷重センサやピッチ角速度センサは、車輪を駆動する駆動部の制御のために装備されているケースも多い。本実施形態にかかる倒立同軸二輪車両１では、荷重センサとしての第１乃至第４荷重センサ１１〜１４やピッチ角速度センサとしての姿勢センサ５を用いて、搭乗者がどの程度、ハンドル３の操作に依存しているか推定するので、部品追加などによる大幅なコストアップを招くことはない。
【００３０】
図４は、搭乗者が、重心移動により倒立同軸二輪車両１を前後移動させた場合のモーメント差分と台車部２（図１参照）のピッチ角速度との関係の一例を示すグラフである。図５は、搭乗者が、重心移動とハンドル操作の両方により倒立同軸二輪車両１を前後移動させた場合のモーメント差分と台車部２のピッチ角速度との関係の一例を示すグラフである。図４及び図５において、実線はモーメント差分と台車部２のピッチ角速度との関係の理論線を、破線は上限線を、一点鎖線は下限線を表す。なお、上限線は理論線に対しピッチ角速度の測定誤差分（例えば０．０５［ｒａｄ／ｓ］）をプラスしたもの）、下限線は理論線に対しピッチ角速度の測定誤差分をマイナスしたものである。
【００３１】
図４に示すように、搭乗者が重心移動により倒立同軸二輪車両１を前後移動させた場合、ピッチ角速度の測定結果のプロット点群は上限線と下限線の間に収まっている。これに対し、図５に示すように、搭乗者が、重心移動とハンドル操作の両方により倒立同軸二輪車両１を前後移動させた場合、ピッチ角速度の測定結果のプロット点群は上限線と下限線の間を逸脱している。この逸脱の程度が大きければ大きい程、搭乗者がハンドル操作に依存する程度が大きいと推定することができる。このように、各荷重センサにより検出された前後荷重から算出したモーメント差分に対する、姿勢センサ５が検出した台車部２のピッチ角速度をプロットすることにより、倒立同軸二輪車両のハンドル操作の程度を推定することができる。
【００３２】
次に、訓練において、倒立同軸二輪車両１のハンドル操作の程度を推定する処理の流れについて説明する。なお、以下の説明では図１も適宜参照する。
【００３３】
図６は、倒立同軸二輪車両１のハンドル操作の程度を推定する処理の流れの一例を示すフローチャートである。図６に示すように、まず、各荷重センサにより、台車部２の前方側の位置と後方側の位置にかかる荷重をそれぞれ検出するとともに、姿勢センサ５に含まれるジャイロセンサにより、ピッチ角速度を検出する（ステップＳ１０１）。
【００３４】
ステップＳ１０１に続いて、荷重センサによりそれぞれ検出された台車部２の前方側及び後方側の荷重を用いて、基準位置における、前方側モーメントと後方側モーメントとの差分であるモーメント差分を算出する（ステップＳ１０２）。次に、算出したモーメント差分を用いて、理論上のピッチ角速度を算出する（ステップＳ１０３）。
【００３５】
ステップＳ１０３に続いて、姿勢センサ５に含まれるジャイロセンサにより検出されたピッチ角速度と、理論上のピッチ角速度と、の差分（ピッチ角速度の検出値と理論値との差分）の絶対値が所定の閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。ピッチ角速度の検出値と理論値との差分の絶対値が所定の閾値以下であるか否かの判断は、すなわち、図４及び図５を参照して説明したように、ピッチ角速度の検出値が、理論線を基準として設定した上限線と下限線との間の範囲内に収まっているか否かの判断により行う。
【００３６】
ステップＳ１０４において、ピッチ角速度の検出値と理論値との差分の絶対値が所定の閾値以下である場合（ＹＥＳの場合）、処理をステップＳ１０１に戻す。ステップＳ１０４において、ピッチ角速度の検出値と理論値との差分の絶対値が所定の閾値を超えている場合（ＮＯの場合）、搭乗者に対して警告を行う（ステップＳ１０５）。なお、警告は、例えば、警報を鳴らす、操作画面に警告メッセージを表示する、などによって行う。
【００３７】
訓練を終了するか否かを判断する（ステップＳ１０６）。ステップＳ１０６において、訓練を終了する場合（ＹＥＳの場合）、処理を終了する。ステップＳ１０６において、訓練を終了しない場合（ＮＯの場合）、処理をステップＳ１０１に戻す。
【００３８】
倒立同軸二輪車両１を用いた訓練では、搭乗者は、この倒立同軸二輪車両１の所定動作に応じて、例えば、倒立同軸二輪車両１が静止又は一定範囲内に収まるように、重心を前後もしくは左右に移動させる走行操作を行う。これにより、搭乗者はバランス機能の改善を図ることができる。しかしながら、搭乗者が倒立同軸二輪車両１の前後移動をハンドル操作に依存して行うと、意図した訓練効果が得られない。上述したように、本実施形態にかかる倒立同軸二輪車両１では、算出したモーメント差分と、ピッチ角速度センサが検出したピッチ角速度と、を用いて、搭乗者がどの程度、ハンドルの操作に依存しているか推定する。この推定により、搭乗者がハンドルの操作に依存する程度が大きいことが分かった場合には、搭乗者に対し警告を行う。これにより、訓練中、ハンドル操作での前後移動を極力行わないよう、搭乗者の注意を喚起することができ、効率的な訓練を行うことが可能になる。
【００３９】
［変形例１］
訓練をゲーム形式で行う場合、ハンドル操作に依存している程度に応じてペナルティを加算するようにしてもよい。図７は、倒立同軸二輪車両のハンドル操作の程度を推定する処理の流れの図６とは別の一例を示すフローチャートである。なお、図７に示す処理の流れは、図６に示す処理の流れに対して、ステップＳ２０５の処理のみ異なる。すなわち、図７における、ステップＳ２０１〜ステップＳ２０４、ステップＳ２０６の処理は、それぞれ、図６における、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０４、ステップＳ１０６の処理と同じである。よって、ステップＳ２０５の処理のみ説明する。
【００４０】
ステップＳ２０４において、ピッチ角速度の検出値と理論値との差分が所定の閾値を超えている場合（ＮＯの場合）、ペナルティを加算する（ステップＳ２０５）。訓練終了時のレベル判定は、倒立同軸二輪車両１の操作速度、操作精度とともに、ペナルティの値についても加味する。例えば、操作速度、操作精度が所定の要件を満たし、かつ、ペナルティの値が一定以下である場合にレベルアップするようにする。これにより、搭乗者はゲーム感覚で楽しみながら、バランス機能を効率的に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。
【００４２】
また、上述の実施形態では、本発明をハードウェアの構成として説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。本発明は、任意の処理を、制御装置８のＣＰＵ８ａ（図２参照）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。
【００４３】
上述の例において、コンピュータプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。
【符号の説明】
【００４４】
１  倒立同軸二輪車両
２  台車部
３  ハンドル
４  車輪
５  姿勢センサ
６  回転センサ
７  車輪駆動ユニット
８  制御装置
１１  第１荷重センサ
１２  第２荷重センサ
１３  第３荷重センサ
１４  第４荷重センサ
【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】
2019151300.tif 000007
【図６】
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【図７】
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