(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体と、第１車軸に配置されている少なくとも２つの駆動輪と、第２車軸に配置されている少なくとも１つの従動輪を備え、従動輪を浮遊させた倒立姿勢を維持しながら走行する状態と従動輪を接地させた安定姿勢を維持しながら走行する状態とを切換可能な走行体であり、
倒立姿勢から車体を傾斜させることによって安定姿勢へと移行する期間における車体の目標傾斜角を経時的に記述している目標傾斜パターンを記憶する記憶手段と、
車体の傾斜角および／又は傾斜角速度を検出する第１検出手段と、
記憶手段に記憶されている目標傾斜パターンと第１検出手段によって検出された検出値との偏差を用いて、駆動輪に加えるべきトルクを計算するトルク計算手段と、
トルク計算手段によって計算されたトルクを駆動輪に加えるアクチュエータと、
を備え、
目標傾斜パターンでは、車体の目標傾斜角が、走行体が倒立姿勢をとるときの傾斜角度から、走行体が安定姿勢をとるときの傾斜角度となるまで、経時的に記述されるとともに、目標傾斜角が所定傾斜角度になるまでの範囲で、目標傾斜角の変化速度が上昇した後に所定角速度まで低下していくことを特徴とする走行体。
【請求項２】
前記目標傾斜パターンでは、目標傾斜角が前記所定傾斜角度を超える範囲において、目標傾斜角の変化速度が前記所定角速度の一定値に定められていることを特徴とする請求項１の走行体。
【請求項３】
前記所定傾斜角度は、走行体が水平面上において安定姿勢をとるときの車体の傾斜角から、所定角度を減算した角度であることを特徴とする請求項１又は２の走行体。
【請求項４】
倒立姿勢から安定姿勢へと移行する動作の開始時点において検出された傾斜角と傾斜角速度を用いて、目標傾斜パターンを修正する手段が付加されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかの走行体。
【請求項５】
駆動輪の回転角速度を検出する第２検出手段と、
第２検出手段によって検出された駆動輪の回転角速度に基づいて、従動輪が接地したのか否かを判定する手段が付加されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかの走行体。
【請求項６】
車体と、第１車軸に配置されている少なくとも２つの駆動輪と、第２車軸に配置されている少なくとも１つの従動輪を備え、従動輪を浮遊させた倒立姿勢を維持しながら走行する状態と従動輪を接地させた安定姿勢を維持しながら走行する状態とを切換可能な走行体の動作調節方法であり、
倒立姿勢から車体を傾斜させることによって安定姿勢へと移行する期間における車体の目標傾斜角を経時的に記述している目標傾斜パターンを記憶する記憶工程と、
車体の傾斜角および／又は傾斜角速度を検出する検出工程と、
記憶工程において記憶した目標傾斜パターンと検出工程において検出した検出値との偏差を用いて、駆動輪に加えるべきトルクを計算するトルク計算工程と、
アクチュエータを制御して、トルク計算工程において計算したトルクを駆動輪に加える工程と、
を備え、
目標傾斜パターンでは、車体の目標傾斜角が、走行体が倒立姿勢をとるときの傾斜角度から、走行体が安定姿勢をとるときの傾斜角度となるまで、経時的に記述されるとともに、目標傾斜角が所定傾斜角度になるまでの範囲で、目標傾斜角の変化速度が上昇した後に所定角速度まで低下していくことを特徴とする走行体の動作調節方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車体と、第１車軸に配置されている少なくとも２つの駆動輪と、第２車軸に配置されている少なくとも１つの従動輪を備え、従動輪が浮遊する倒立姿勢を維持しながら走行する状態と従動輪が接地する安定姿勢を維持しながら走行する状態とを切換可能な走行体に関する。
【背景技術】
【０００２】
車体と、第１車軸に配置されている少なくとも２つの駆動輪と、第２車軸に配置されている少なくとも１つの従動輪を備え、従動輪を浮遊させた倒立姿勢を維持しながら走行する状態と、従動輪を接地させた安定姿勢を維持しながら走行する状態とを切換可能な走行体が、特許文献１や非特許文献１等に開示されている。この種の走行体では、主に、第１車軸を回転軸として車体の傾きを制御することにより、従動輪を浮遊させた倒立姿勢を維持して走行する。
駆動輪と従動輪の双方が接地する安定姿勢を維持しながら走行する状態では、走行体は安定して走行したり静止したりすることができる。駆動輪だけが接地して従動輪が浮遊する倒立姿勢を維持しながら走行する状態では、走行体は小回りが利くようになる。また、倒立姿勢を維持しながら走行する場合には、急な上り坂でも急な下り坂でも基本的には垂直な姿勢を維持して走行することができる。従動輪を接地させた安定姿勢を維持しながら走行する状態と、従動輪を浮遊させた倒立姿勢を維持しながら走行する状態とを切換えることができると、走行体の利用範囲が拡大するものと期待されている。
【特許文献１】米国特許第６，５５３，２７１号明細書
【非特許文献１】高橋  良彦、他２名、「人間支援ロボット（第１報）ウィリーする車椅子の試作」、日本機械学会（No.99-9）ロボティクス・メカトロニクス講演会’９９講演論文集、１９９９年６月，１Ａ１−７５−１０６（１）〜１Ａ１−７５−１０６（２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の走行体は、従動輪を接地させた安定姿勢の状態から、倒立姿勢を維持するための制御を開始することによって、従動輪を浮遊させた倒立姿勢へと移行する。また、従動輪を浮遊させた倒立姿勢の状態から、倒立姿勢を維持するための制御を中止することによって、従動輪を接地させた安定姿勢へと移行する。
従来の手法では、倒立姿勢から安定姿勢へと移行する際に、従動輪を走行面に対して激しく当接させてしまう場合ある。従動輪を走行面に対して激しく当接させてしまうと、走行体に強い反力が加わることとなり、走行体がバランスを崩してしまう。
本発明は、上記の課題を解決する。本発明は、従動輪を浮遊させた倒立姿勢から従動輪を接地させた安定姿勢へと移行する際に、従動輪を走行面に静かに当接させることができる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の技術は、車体と、第１車軸に配置されている少なくとも２つの駆動輪と、第２車軸に配置されている少なくとも１つの従動輪を備え、従動輪を浮遊させた倒立姿勢を維持しながら走行する状態と従動輪を接地させた安定姿勢を維持しながら走行する状態とを切換可能な走行体に具現化することができる。この走行体は、倒立姿勢から車体を傾斜させることによって安定姿勢へと移行する期間における車体の目標傾斜角を経時的に記述している目標傾斜パターンを記憶する記憶手段と、車体の傾斜角および／又は傾斜角速度を検出する第１検出手段と、記憶手段に記憶されている目標傾斜パターンと第１検出手段によって検出された検出値との偏差を用いて、駆動輪に加えるべきトルクを計算するトルク計算手段と、トルク計算手段によって計算されたトルクを駆動輪に加えるアクチュエータを備えている。目標傾斜パターンでは、車体の目標傾斜角が、走行体が倒立姿勢をとるときの傾斜角度から、走行体が安定姿勢をとるときの傾斜角度となるまで、経時的に記述される。
【０００５】
従動輪を浮遊させた倒立姿勢から従動輪を接地させた安定姿勢へと移行する際に、従動輪が走行面に向けて接近する速度は、第１車軸を回転軸にして車体が傾斜していくときの傾斜角速度に対応する。そのことから、車体の傾斜角速度を調節することによって、従動輪が走行面に向けて接近する速度を調節することができ、従動輪を走行面に静かに当接させることが可能となる。
一方において、車体の傾斜角速度を過剰に制限してしまうと、倒立姿勢から安定姿勢へと移行するのに要する時間が長くなるとともに、車体の傾斜角速度を抑制するために走行体は大きく移動することが必要となる。この場合、十分なスペースが確保できなければ、走行体は倒立姿勢から安定姿勢へと移行することができない。
以上のことから、例えば、従動輪が接地する以前の段階では車体の傾斜角速度を比較的に大きくするとともに、従動輪が接地する時点では車体の傾斜角速度を小さく制限することができれば、従動輪を走行面に静かに当接させることが可能となる。倒立姿勢から安定姿勢へと移行する際には、その移行動作期間に亘って、車体の傾斜角速度を調節することが有効といえる。
【０００６】
本発明によって具現化される走行体は、倒立姿勢から安定姿勢へと移行する期間における車体の目標傾斜角を経時的に記述している目標傾斜パターンを記憶することができる。そして、倒立姿勢から安定姿勢へと移行する際には、その移行動作期間に亘って、車体の傾斜角を目標傾斜パターンに一致するように調節することができる。目標傾斜パターンでは、車体の目標傾斜角を、走行体が倒立姿勢をとるときの傾斜角度から、走行体が安定姿勢をとるときの傾斜角度となるまで、経時的に記述することができる。それにより、例えば従動輪が接地する以前の段階では車体の傾斜角速度を比較的に大きくするとともに、従動輪が接地する時点では車体の傾斜角速度を小さく制限することが可能となる。この場合、目標傾斜パターンでは、目標傾斜角が所定傾斜角度になるまでの範囲で、目標傾斜角の変化速度が、上昇した後に所定角速度まで低下していくことが好ましい。
この走行体によると、従動輪を浮遊させた倒立姿勢から従動輪を接地させた安定姿勢へと移行する際に、従動輪を走行面に静かに当接させることが可能となる。このとき、過剰に大きなスペースを必要とすることもない。
【０００７】
上記の走行体において、記憶手段に記憶されている目標傾斜パターンでは、目標傾斜角が前記所定傾斜角度を超える範囲において、目標傾斜角の変化速度が前記所定角速度の一定値に定められていることが好ましい。
従動輪が接地して走行体が安定姿勢をとるときの車体の傾斜角は、走行面の傾斜や凹凸によって変化する。走行面の傾斜や凹凸によらず、従動輪が接地する時点において車体の傾斜角速度を小さく制限するためには、従動輪が接地する可能性が生じる段階において、車体の傾斜角速度を小さく制限しておく必要がある。
目標傾斜角が所定傾斜角度を超える範囲、例えば、従動輪が接地する可能性が生じ始める傾斜角度を超える範囲において、目標傾斜角の変化速度を所定角速度の一定値に定めておくことによって、走行面の傾斜や凹凸によらず、従動輪を走行面に静かに当接させることが可能となる。
上記の所定傾斜角度、即ち、従動輪が接地する可能性が生じ始める傾斜角度は、走行体が水平面上において安定姿勢をとるときの車体の傾斜角から、走行面の傾斜や凹凸等の度合を加味して定めた所定角度を減算して決定することが好ましい。
【０００８】
上記の走行体では、倒立姿勢から安定姿勢へと移行する動作の開始時点において検出された傾斜角と傾斜角速度を用いて、目標傾斜パターンを修正する手段が付加されていることが好ましい。
それにより、倒立姿勢を維持する動作状態から、倒立姿勢から安定姿勢へと移行する動作状態へと、違和感なく切り換えることが可能となる。
【０００９】
上記の走行体では、駆動輪の回転角速度を検出する第２検出手段と、第２検出手段によって検出された駆動輪の回転角速度に基づいて、従動輪が接地したのか否かを判定する手段が付加されていることが好ましい。
車体の傾斜角は、アクチュエータが駆動輪に加えるトルクによって調節される。従動輪が接地して車体の傾斜が規制されると、アクチュエータが駆動輪に加えるトルクによって、駆動輪の回転角速度が大きく変化する。そのことから、駆動輪の回転角速度を監視することによって、従動輪が接地したのか否かを判定することが可能となる。駆動輪の回転角速度に基づいて従動輪の接地判定を行うことによって、走行面の傾斜や凹凸によって従動輪が接地するときの車体の傾斜角が変化する場合でも、従動輪が接地したのか否かを正しく判定することができる。
【００１０】
本発明の技術は、車体と、第１車軸に配置されている少なくとも２つの駆動輪と、第２車軸に配置されている少なくとも１つの従動輪を備え、従動輪を浮遊させた倒立姿勢を維持しながら走行する状態と従動輪を接地させた安定姿勢を維持しながら走行する状態とを切換可能な走行体の動作調節方法に具現化することもできる。この走行体の動作調節方法は、倒立姿勢から車体を傾斜させることによって安定姿勢へと移行する期間における車体の目標傾斜角を経時的に記述している目標傾斜パターンを記憶する記憶工程と、車体の傾斜角および／又は傾斜角速度を検出する検出工程と、記憶工程において記憶した目標傾斜パターンと、検出工程において検出した検出値との偏差を用いて、駆動輪に加えるべきトルクを計算するトルク計算工程と、アクチュエータを制御してトルク計算工程において計算したトルクを駆動輪に加える工程とを備えている。目標傾斜パターンでは、車体の目標傾斜角が、走行体が倒立姿勢をとるときの傾斜角度から、走行体が安定姿勢をとるときの傾斜角度となるまで、経時的に記述される。ここで、目標傾斜角が所定傾斜角度になるまでの範囲では、目標傾斜角の変化速度が、上昇した後に所定角速度まで低下していくことが好ましい。
この方法を用いて走行体の動作を調節することによって、従動輪を浮遊させた倒立姿勢から従動輪を接地させた安定姿勢へと移行する際に、従動輪を走行面に静かに当接させることが可能となる。このとき、過剰に大きなスペースを必要とすることもない。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によって、従動輪を浮遊させた倒立姿勢から従動輪を接地させた安定姿勢へと移行する際に、従動輪を走行面に静かに当接させることが可能となり、走行体がバランスを崩したり転倒したりすることが防止される。本発明を搭乗型の走行体に採用することによって、乗り心地の優れた走行体を具現化することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
最初に、以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
（形態１）  走行体は、人が着席可能な搭乗シートを備えており、搭乗者を乗せて走行することができる。
（形態２）  走行体は、搭乗者が走行体を操作するための操作装置を備えている。
（形態３）  目標傾斜パターンには、倒立姿勢から車体を傾斜させることによって安定姿勢へと移行する期間における車体の目標傾斜角と目標傾斜角速度が経時的に記述されている。
【実施例】
【００１３】
本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施例の走行体１０の全体構成を模式的に示している。なお、走行体１０の構成を明瞭にするために、一部の構成を分解して示している。走行体１０は、車体１２と、車体１２に設けられている第１駆動輪３４と第２駆動輪４４と従動前輪５０を備えている。第１駆動輪３４と第２駆動輪４４は、第１車軸Ｃ１の回りに回転可能となっている。従動前輪５０は、第２車軸Ｃ２の回りに回転可能となっている。第１車軸Ｃ１は車体１２の後部に位置しており、第２車軸Ｃ２は車体１２の前部に位置している。第２車軸Ｃ２は、スラストベアリンク４８を介して車体１２に設けられており、その向きが受動的に変化するようになっている。走行体１０には、人が着席可能な搭乗シート２２が設けられている。走行体１０は、人を乗せて走行することができる。
走行体１０は、第１駆動輪３４を駆動する第１モータ３２と、第２駆動輪４４を駆動する第２モータ４２と、両モータ３２、４２に電力を供給するバッテリモジュール４０を備えている。走行体１０では、各駆動輪３４、４４のそれぞれにアクチュエータであるモータ３２、４２が用意されており、各駆動輪３４、４４のそれぞれを独立して駆動することが可能な構成となっている。
走行体１０は、第１モータ３２と第２モータ４２の動作を制御する制御モジュール１４と、走行体１０の搭乗者が操作する操作モジュール２０を備えている。制御モジュール１４は、走行体１０の搭乗者が操作モジュール２０に加えた操作に追従して、第１モータ３２と第２モータ４２の動作を制御する。
走行体１０は、車体１２の傾斜角速度を検出するジャイロ３８と、第１駆動輪３４の回転角を検出する第１エンコーダ３６と、第２駆動輪４４の回転角を検出する第２エンコーダ４６を備えている。車体１２の傾斜角速度とは、車体１２の傾斜角の変化速度である。車体１２の傾斜角とは、車体１２の第１車軸Ｃ１回りの回転角（姿勢角）を示すものである。図２に示すように、本実施例では、走行体１０（駆動輪３４、４４を除く）の重心Ｍが第１車軸Ｃ１の鉛直上方に位置する状態を傾斜角ηの基準（傾斜角ηがゼロ）とし、車体１２が従動前輪５０側に傾く方向を傾斜角ηの正方向としている。また、各駆動輪３４、４４の回転角とは、各駆動輪３４、４４の車体１２に対する相対回転角である。なお、図２中には、第２駆動輪４４の回転角θ２が図示されている。なお、第１駆動輪３４の回転角をθ１と記すことがある。
【００１４】
操作モジュール２０には、操作レバー１８と、切換スイッチ１６が設けられている。操作レバー１８は、搭乗者が走行体１０の走行速度や走行方向を調整するための操作部材である。搭乗者は、操作レバー１８の操作量を調整することによって走行体１０の走行速度を調整することができる。また搭乗者は、操作レバー１８の操作方向を調整することによって走行体１０の走行速度を調整することができる。走行体１０は、操作レバー１８に加えられた操作に応じて、前進、停止、後退、左折、右折、左旋回、右旋回することができる。切換スイッチ１６は、走行体１０の走行姿勢を切り換えるための操作部材である。走行体１０の搭乗者は、切換スイッチ１６を操作することによって、走行体１０の姿勢を倒立姿勢と安定姿勢のいずれかに切り換えることができる。
図２は、倒立姿勢をとるときの走行体１０を模式的に示している。図２に示すように、倒立姿勢とは、従動前輪５０が浮遊して第１駆動輪３４と第２駆動輪４４の２輪のみが接地する姿勢である。走行体１０は、倒立姿勢を維持しながら、走行、旋回、略静止することができる。
図３は、安定姿勢をとるときの走行体１０を模式的に示している。図３に示すように、安定姿勢とは、従動前輪５０と第１駆動輪３４と第２駆動輪４４の３輪を接地させた姿勢である。走行体１０は、安定姿勢を維持しながら、走行、旋回、静止することができる。ここで、図３中のηｚは、走行体１０が水平面上において安定姿勢をとるときの車体１２の傾斜角を示している。この角度ηｚを、予定接地傾斜角ということがある。実際に走行体１０が安定姿勢をとるときの車体１２の傾斜角は、走行面の傾斜や凹凸によって変化することから、常に予定接地傾斜角ηｚになるとは限られない。
【００１５】
次に、走行体１０の制御系について説明する。図４は、走行体１０の制御系の構成を示すブロック図である。図４に示すように、制御ユニット１４には、主に、第１モータ３２と第２モータ４２の動作を調節するコントローラ６０や、第１微分回路７２や、第２微分回路７４や、積分回路７６等が内蔵されている。
第１微分回路７２は、第１エンコーダ３６の出力信号を入力し、その微分値を出力する回路である。即ち、第１微分回路７２は、第１エンコーダ３６によって検出された第１駆動輪３４の回転角θ１を入力し、その微分値である第１駆動輪３４の回転角速度ｄθ１／ｄｔを出力する。なお、図中において上部にドットが付された変数は、その変数の微分値を表している。第１エンコーダ３６と第１微分回路７２は、コントローラ６０に接続されている。コントローラ６０には、検出された第１駆動輪３４の回転角θ１と回転角速度ｄθ１／ｄｔが逐次入力される。
第２微分回路７４は、第２エンコーダ４６の出力信号を入力し、その微分値を出力する回路である。即ち、第２微分回路７４は、第２エンコーダ４６によって検出された第２駆動輪４４の回転角θ２を入力し、その微分値である第２駆動輪４４の回転角速度ｄθ２／ｄｔを出力する。第２エンコーダ４６と第２微分回路７４は、コントローラ６０に接続されている。コントローラ６０には、検出された第２駆動輪４４の回転角θ２と回転角速度ｄθ２／ｄｔが逐次入力される。
積分回路７６は、ジャイロ３８の出力信号を入力し、その積分値を出力する回路である。即ち、積分回路７６は、ジャイロ３８によって検出された車体１２の傾斜角速度ｄη／ｄｔを入力し、その積分値である車体１２の傾斜角ηを出力する。積分回路７６とジャイロ３８は、コントローラ６０に接続されている。コントローラ６０には、検出された車体１２の傾斜角ηと傾斜角速度ｄη／ｄｔが逐次入力される。
【００１６】
コントローラ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等によって構成されている。コントローラ６０は、機能的に、車輪指示値設定部６４と、傾斜指示値設定部６６と、トルク計算部６２等を備えている。
車輪指示値設定部６４は、主に操作レバー１８の操作状態に基づいて、第１駆動輪３４の回転角に関する指示値θ１＊と、第１駆動輪３４の回転角速度に関する指示値ｄθ１＊／ｄｔと、第２駆動輪４４の回転角に関する指示値θ２＊と、第２駆動輪４４の回転角速度に関する指示値ｄθ２＊／ｄｔを設定する。各指示値θ１＊、ｄθ１＊／ｄｔ、θ２＊、ｄθ２＊／ｄｔは、操作レバー１８の操作方向や操作量に応じて設定される。設定された各指示値θ１＊、ｄθ１＊／ｄｔ、θ２＊、ｄθ２＊／ｄｔは、トルク計算部６２に入力される。
【００１７】
傾斜指示値設定部６６は、主に操作レバー１８と切換スイッチ１６の操作状態に基づいて、車体１２の傾斜角に関する指示値（指示傾斜角）η＊と、車体１２の傾斜角速度に関する指示値（指示傾斜角速度）ｄη＊／ｄｔを設定する。傾斜指示値設定部６６は、走行体１０が倒立姿勢を維持しながら操作レバー１８の操作状態に追従して走行（あるいは静止）することを可能とする車体１２の傾斜角と傾斜角速度を計算することができる。傾斜指示値設定部６６は、切換スイッチ１６が倒立姿勢側に切り換えられている場合、走行体１０が倒立姿勢を維持しながら操作レバー１８の操作状態に追従して走行（あるいは静止）することを可能とする車体１２の傾斜角と傾斜角速度を逐次計算し、計算した傾斜角と傾斜角速度をそれぞれ指示傾斜角η＊と指示傾斜角速度ｄη＊／ｄｔに設定する。一方、切換スイッチ１６が安定姿勢側に切り換えられている場合、車体１２の傾斜角をフィードバック制御する必要がないことから、傾斜指示値設定部６６は指示傾斜角η＊と指示傾斜角速度ｄη＊／ｄｔの設定を行わない。
また、傾斜指示値設定部６６は、倒立姿勢から車体１２を傾斜させることによって安定姿勢へと移行する期間における車体１２の目標傾斜角と目標傾斜角速度を経時的に記述している目標傾斜パターンを記憶している。図５に、目標傾斜パターンの一例を示す。図５中のη＊は、車体１２の目標傾斜角η＊を示している。図５中のドットが付されたη＊は、車体１２の目標傾斜角速度ｄη＊／ｄｔを示している。目標傾斜角η＊の微分値は、目標傾斜角速度ｄη＊／ｄｔに対応している。
【００１８】
図５に示すように、目標傾斜パターンでは、目標傾斜角η＊が角度ゼロから予定接地傾斜角ηｚを超える範囲に亘って、目標傾斜角η＊と目標傾斜角速度ｄη＊／ｄｔが経時的に記述されている。目標傾斜角η＊と目標傾斜角速度ｄη＊／ｄｔは、連続的かつ滑らかに（数学的にいえば微分可能に）変化している。目標傾斜パターンが、目標傾斜角η＊が予定接地傾斜角ηｚを超える範囲に亘って定められているのは、従動前輪５０が接地するときの車体１２の傾斜角が、走行面の傾斜や凹凸によって予定接地傾斜角ηｚを超えることがあるためである。
また、目標傾斜パターンでは、目標傾斜角η＊が予定接地傾斜角ηｚから所定角度αを減算した角度ηｚ−αを越える期間（図５中のＡ）において、目標傾斜角速度ｄη＊／ｄｔが角速度βに定められている。角速度βは比較的に小さな値であり、従動前輪５０が接地する時点において車体１２の傾斜角速度が角速度βに制限されていると、従動前輪５０は走行面に静かに当接することができる。先に説明したように、従動前輪５０が接地する時点の車体１２の傾斜角は、走行面の傾斜や凹凸によって変化する。そのことから、従動前輪５０が接地する可能性が生じる段階において、車体１２の傾斜角速度を角速度βに制限しておく必要がある。本実施例の目標傾斜パターンは、所定角度αが走行面に存在しうる傾斜や凹凸を加味して定められており、角度ηｚ−αを超える角度範囲は従動前輪５０が接地する可能性が生じる車体１２の傾斜角に対応している。
傾斜指示値設定部６６は、切換スイッチ１６が倒立姿勢側から安定姿勢側へと切り換えられた時に、記憶している目標傾斜パターンを用いて、指示傾斜角η＊と指示傾斜角速度ｄη＊／ｄｔを設定する。走行体１０が倒立姿勢から安定姿勢へと移行するときの動作については、後段において詳細に説明する。一方、切換スイッチ１６が安定姿勢側から倒立姿勢側に切り換えられた時には、傾斜指示値設定部６６は、指示傾斜角η＊にゼロを設定するとともに、指示傾斜角速度ｄη＊／ｄｔにもゼロを設定する。
【００１９】
トルク計算部６２は、車輪指示値設定部６４や傾斜指示値設定部６６から入力した各指示値と、エンコーダ３６、４６やジャイロ３８や微分回路７２、７４や積分回路７６から入力した検出値との偏差を用いて、第１モータ３２が出力すべき第１トルクτ１と、第２モータ４２が出力すべき第２トルクτ２を計算する。即ち、第１トルクτ１と第２トルクτ２は、次式を用いて表現することができる。
τ１＝Ｋ１・ｘ１＋Ｋ２・ｘ２＋Ｋ３・ｘ５＋Ｋ４・ｘ６
τ２＝Ｋ１・ｘ３＋Ｋ２・ｘ４＋Ｋ３・ｘ５＋Ｋ４・ｘ６
ここで、ｘ１は第１駆動輪３４の回転角に関する指示値θ１＊と検出値θ１との偏差θ１＊−θ１である。ｘ２は第１駆動輪３４の回転角速度に関する指示値ｄθ１＊／ｄｔと検出値ｄθ１／ｄｔとの偏差ｄθ１＊／ｄｔ−ｄθ１／ｄｔである。ｘ３は第２駆動輪４４の回転角に関する指示値θ２＊と検出値θ２との偏差θ２＊−θ２である。ｘ４は第２駆動輪４４の回転角速度に関する指示値ｄθ２＊／ｄｔと検出値ｄθ２／ｄｔとの偏差ｄθ２＊／ｄｔ−ｄθ２／ｄｔである。ｘ５は車体１２の傾斜角に関する指示値η＊と検出値ηとの偏差η＊−ηである。ｘ６は車体１２の傾斜角速度に関する指示値ｄη＊／ｄｔと検出値ｄη／ｄｔとの偏差ｄη＊／ｄｔ−ｄη／ｄｔである。Ｋ１は各駆動輪３４、４４の回転角の偏差ｘ１、ｘ３に対するフィードバックゲインである。Ｋ２は各駆動輪３４、４４の回転角速度の偏差ｘ２、ｘ４に対するフィードバックゲインである。Ｋ３は車体１２の傾斜角の偏差ｘ５に対するフィードバックゲインである。Ｋ４は車体１２の傾斜角速度の偏差ｘ６に対するフィードバックゲインである。なお、各トルクτ１、τ２の計算式は、上記の式に限定されるものではない。汎用のフィードバック制御に用いられる様々な計算式を採用することができる。また、切換スイッチ１６が安定姿勢側に切り換えられている場合は、車体１２の傾斜角をフィードバック制御する必要がないことから、フィードバックゲインＫ３、Ｋ４をゼロと設定することができる。
【００２０】
コントローラ６０は、第１モータ３２が出力するトルクを、トルク計算部６２によって計算した第１トルクτ１に調節する。また、第２モータ４２が出力するトルクを、トルク計算部６２によって計算した第２トルクτ２に調節する。それにより、第１駆動輪３４の回転角θ１と、第１駆動輪３４の回転角速度ｄθ１／ｄｔと、第２駆動輪４４の回転角θ２と、第２駆動輪４４の回転角速度ｄθ２／ｄｔと、車体１２の傾斜角ηと、車体１２の傾斜角速度ｄη／ｄｔが、それぞれの指示値θ１＊、ｄθ＊／ｄｔ、θ２＊、ｄθ２＊／ｄｔ、η＊、ｄη＊／ｄｔに調節される。走行体１０は、搭乗者が操作モジュール２０に加えた操作に追従して、倒立姿勢を維持しながら走行したり、安定姿勢を維持しながら走行したり、倒立姿勢と安定姿勢の間で姿勢変化することができる。
【００２１】
図６は、走行体１０が倒立姿勢から安定姿勢へと移行する際に、コントローラ６０が実行する動作フローを示している。図６に示すフローに沿って、走行体１０が倒立姿勢から安定姿勢へと移行するときの動作について説明する。コントローラ６０は、切換スイッチ１６が倒立姿勢側から安定姿勢側へと切り換えられた時に、図６に示す動作フローをスタートさせる。
ステップＳ２では、車体１２の傾斜角ηを検出し、姿勢の移行動作を開始する時点における車体１２の傾斜角の初期値η０を把握する。
ステップＳ４では、車体１２の傾斜角速度ｄη／ｄｔを検出し、姿勢の移行動作を開始する時点における車体１２の傾斜角速度の初期値ｄη０／ｄｔを把握する。
ステップＳ６では、ステップＳ２で検出した車体１２の傾斜角の初期値η０と、ステップＳ４で検出した車体１２の傾斜角速度の初期値η０／ｄｔに基づいて、傾斜指示値設定部６６に記憶されている目標傾斜パターン（図５参照）を修正する。図７に、修正後の目標傾斜パターンを示す。図７に示すように、修正後の目標傾斜パターンでは、目標傾斜角η＊の初期値がステップＳ２で検出された初期値η０に修正されており、目標傾斜角速度ｄη＊／ｄｔの初期値がステップＳ４で検出された初期値ｄη０／ｄｔに修正されている。そして、目標傾斜角η＊は、初期値η０から角度ηｚ−αへと連続的に変化するように修正される。また、目標傾斜角速度ｄη＊／ｄｔは、初期値ｄη０／ｄｔから角速度βへと連続的に変化するように修正される。このときの変化パターンは、例えば三角関数を用いて定めることができる。修正後の目標傾斜パターンにおいても、目標傾斜角η＊が予定接地傾斜角ηｚから所定角度αを減算した角度ηｚ−αを越える範囲（期間Ａ）では、目標傾斜角η＊の変化率、即ち、目標傾斜角速度ｄη＊／ｄｔが角速度βと定められる。
【００２２】
ステップＳ８では、修正後の目標傾斜パターンを用いて、第１モータ３２と第２モータ４２の出力トルクがフィードバック制御される。即ち、傾斜指示値設定部６６は、修正後の目標傾斜パターンが記述している目標傾斜角η＊と目標傾斜角速度ｄη＊／ｄｔを、トルク計算部６２に教示する指示傾斜角η＊と指示傾斜角速度ｄη＊／ｄｔに設定する。トルク計算部６２は、教示された指示傾斜角η＊および指示傾斜角速度ｄη＊／ｄｔと、傾斜角ηおよび傾斜角速度ｄη／ｄｔの検出値との偏差に基づいて、第１トルクτ１と第２トルクτ２を計算する。コントローラ６０は、第１モータ３２が出力するトルクをトルク計算部６２によって計算した第１トルクτ１に調節し、第２モータ４２が出力するトルクをトルク計算部６２によって計算した第２トルクτ２に調節する。それにより、車体１２の傾斜角および傾斜角速度は、修正後の目標傾斜パターンに一致するように、フィードバック制御される。
【００２３】
ステップＳ１０では、従動前輪５０が走行面に接地したのか否かを判定する。コントローラ６０は、駆動輪３４、４４の回転角速度を監視することによって、従動前輪５０が走行面に接地したのか否かを判定する。走行体１０が倒立姿勢から安定姿勢への移行する間、目標傾斜パターンが記述している目標傾斜角η＊に追従して、車体１２は従動前輪５０側へと前傾していく。このとき、目標傾斜パターンは目標傾斜角η＊が予定接地傾斜角ηｚを十分に超える範囲に亘って定められているので、従動前輪５０が走行面に接地した時点以降も、第１モータ３２と第２モータ４２からは車体１２を前傾させようとするトルクが出力される。従動前輪５０が走行面に接地し、車体１２の前傾が制限されると、第１モータ３２と第２モータ４２が出力するトルクによって、各駆動輪３４、４４の回転角速度が大きく変化する。コントローラ６０は、この各駆動輪３４、４４の回転角速度の変化を検出することによって、従動前輪５０が走行面に接地したのか否かを判定する。本実施例では、従動前輪５０が接地するまでは走行体１０が前進し、従動前輪５０が接地した以降は走行体１０が後進することを利用して、第１駆動輪３４の回転角速度と第２駆動輪４４の回転角速度の少なくとも一方がゼロ以下となったときに、従動前輪５０が接地したと判定する。駆動輪３４、４４の回転角速度に基づいて従動前輪５０の接地判定を行うことによって、従動前輪５０が走行面に接地するときの車体１２の傾斜角が、走行面の傾斜や凹凸によって予定接地傾斜角ηｚと異なる場合でも、従動前輪５０が接地したのか否かを正しく判定することができる。
なお、従動前輪５０の接地判定は、上記の手法に限定されるものではない。車体１２の傾斜角速度を監視することによって、従動前輪５０が走行面に接地したのか否かを判定することもできる。
ステップＳ１０において従動前輪５０が接地したと判定されるまで、ステップＳ８におけるモータ３２、４２のフィードバック制御が継続される。従動前輪５０が接地するまで、車体１２の傾斜角および傾斜角速度は、修正後の目標傾斜パターンと略同様に変化する。走行面に意図しない傾斜や凹凸が存在する場合でも、従動前輪５０が接地する時点では車体１２の傾斜角速度が角速度βに制限される。従動前輪５０は走行面に静かに接地する。走行体１０がバランスを崩すことや、搭乗者に不快感を与えてしまうこと等が防止される。
【００２４】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば従動前輪は１つに限られるものではなく、第２車軸に複数の従動輪を設けることができる。また、第１車軸よりも後方に第３の車軸を設け、従動後輪を併せて備える走行体を具現化することもできる。この場合、従動後輪を接地させるための第２の目標傾斜パターンを別に用意することができる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施例の走行体の構成を示す模式図。
【図２】倒立姿勢の走行体を模式的に示す図。
【図３】安定姿勢の走行体を模式的に示す図。
【図４】走行体の制御構成を示すブロック図。
【図５】目標傾斜パターンの一例を示す図。
【図６】倒立姿勢から安定姿勢へと移行する動作の流れを示すフローチャート。
【図７】修正された目標傾斜パターンの一例を示す図。
【符号の説明】
【００２６】
１０・・走行体
１２・・車体
１４・・制御モジュール
２０・・操作モジュール
２２・・搭乗シート
３２、４２・・モータ
３４、４４・・駆動輪
３６、４６・・エンコーダ
３８・・ジャイロ
４０・・バッテリモジュール
６０・・コントローラ
６２・・トルク計算部
６４・・車輪指示値設定部
６６・・傾斜指示値設定部
７２、７４・・微分回路
７６・・積分回路
【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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