(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置の階段での動きを管理する方法であって、該装置は瞬間的ピッチ角によって特徴付けられ、それぞれがクラスタアームに関して固定される軸の周りに回転可能な複数の車輪を有し、該クラスタアームはクラスタ軸の周りを回転可能であり、前記方法は、
ａ．垂直方向に関して画定された前方角及び後方角を設定するステップと、
ｂ．前記瞬間的ピッチ角が前記前方角を越えるならば、前記装置の下降を提供するために、前記クラスタアームを動かすステップと、
ｃ．前記瞬間的ピッチ角が前記後方角より小さいならば、前記装置の上昇を提供するために、前記クラスタアームを動かすステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記前方角及び後方角を設定するステップは、前記クラスタ角を基礎にして前記前方角と前記後方角との少なくとも一つを変えることを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、
ａ．前記装置の前記瞬間的ピッチ角を監視するステップと、
ｂ．前記装置が階段上で静的に安定した配置に想定する方法で前記クラスタアームが自由に回転することを可能にするように、前記瞬間的ピッチ角が予め決めされたしきい値を越えるときブレーキを解除するステップと、を更に含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１記載の方法において、
ａ．前記クラスタアームを駆動するためのアクチュエータの温度を監視するステップと、
ｂ．過熱状態を検出するステップと、
ｃ．前記過熱状態の間下降の方向にのみクラスタ回転を可能にすることによって、前記アクチュエータの負荷を制限するステップと、を更に含むことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１記載の方法において、前記複数の車輪のうちの一つの車輪の位置の関数により前記複数の車輪の回転を制御するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５記載の方法において、前記装置の前記瞬間的ピッチ角の関数により前記複数の車輪の回転を制御するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１記載の方法において、前記複数の車輪のうちの一つの車輪の速度の関数により前記複数の車輪の回転を制御するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１記載の方法において、
ｄ．前記クラスタアームの温度により特徴付けられるセンサー信号を監視するステップと、
ｅ．前記センサー信号が予め決めされたしきい値を越えるときブレーキを係合させて前記クラスタアームを制動させて、前記装置が階段上で静的に安定した形態をとる方式で前記クラスタアームを自由に回転可能とさせるステップとを更に含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の技術分野
本発明は、１以上の車輪又は他の接触部材を装備する個人用乗物の配置及び移動を制御する方法に関する。
【０００２】
発明の背景技術
個人用乗物（例えば、身体障害者により使用されるもの）は、１以上の前後又は左右平面において積極的に安定処理から利益を得ることができる。釣合い乗物（バランスビークル：balancing vehicle）の操作は、米国特許第５，７０１，９６５号（参照によりここに組み込まれ、ここでは「‘９６５号特許」として言及される）に記述される。個人用乗物は、その乗物が自走式であるか否か、乗物の占有者又は補助者によって誘導され得るか否か、及びバランスモードで作動できるか否かを有利に安定させることができる。この種の乗物は、先行技術で記述されるものを補足する制御モードを用いて、より効率的に、より安全に操作され得る。個人用乗物は、「トランスポータ（transporter）」として、交換可能にこの明細書で言及されてもよい。
【０００３】
発明の概要
本発明の好ましい実施の形態によれば、重心の位置によって乗物を制御するために乗り手によって要求される総作用力が著しく減少されるように、条件は、乗物の車輪及びクラスタ両方の制御法則で提供される。従って、ほとんどの乗り手は、補助者による助けなしに階段を登り降りすることができる。前後部の角度に関連した項の追加により、乗り手は、相対的にあまり努力することなく前後部の角度の間で乗物にもたれることができる。なぜならば、階段を登っている間クラスタの速い回転を維持するために、前後部の角度で大きい利得が用いられるが、勾配利得は小さい値に設定され得るからである。前後部の角度は、階段を登る行程を通して更新され、それによって、乗り手は、あまり努力せずに乗物ＣＧ（重心）の位置を変えることができる。
【０００４】
本発明の実施の形態によれば、前後部の角度が車輪制御法則に加えられるという点で、クラスタ制御法則を反映する車輪制御法則が提供される。車輪制御法則は、階段を登っている間車輪が後方にしか動けないことを保証するために、クラスタ制御法則とはわずかに異なる。加えて、制動項は、車輪の方向に応じて変え、順方向で車輪を減速するが蹴上げに車輪を加速する効果を持つ車輪制御法則に含まれる。この変化は、階段の上と下で乗物の挙動を変えて、階段を登る始めと終わりにおけるより安全な移動を提供する。
【０００５】
本発明のさらなる実施の形態によれば、ブレーキピッチ制御アルゴリズムが提供される。これは、階段を登る間クラスタ及び車輪のモータ温度を監視する安全機能である。クラスタ又は車輪のモータが階段を登る途中でオーバーヒートして故障するならば、乗物は落下するかも知れない。温度が予め設定された値を越えるなら、ブレーキピッチ制御器は、モータ増幅器を止めてクラスタブレーキを調整することで動きを制御する。その制御器は、４つの車輪すべてが階段上にある配置で乗物を置く。従って、重力に関して静的に安定した配置で乗物が置かれ、乗り手が階段モードを継続するのを防ぐ。アルゴリズムは、モータ温度を監視し続け、モータが十分に冷えたならば、乗り手が階段から出られるために、階段モードを再開する。
【０００６】
好ましい実施の形態の詳細な記述
本発明は、添付図面を用いて次の詳細な説明を参照することによって一層容易に理解される。
【０００７】
本発明の好ましい実施の形態によれば、操縦性と安全性を強化するために設計された個人用乗物は、クラスタと、互いに独立してモータ駆動可能な各クラスタの車輪とを持つ１以上の車輪のクラスタを含む。
【０００８】
図１には、米国特許第５，７０１，９６５号に記述される別の方法のような、符号１０で一般に指定されるような釣合い乗物の側面図が示される。本発明の好ましい実施の形態は、釣合い乗物１０に関して有利に実施され得る。図１は、ここに記述され、添付の特許請求の範囲で要求されるモードで操作可能なとき、先行技術の装置を表さない。
【０００９】
乗物１０は、その上に乗り手を支持するサポート１２を有する。サポート１２は、地面接触モジュール１６に取り付けられる。地面接触モジュール１６は、車輪１８のクラスタ３６を駆動するために用いられる、電源、駆動アンプ、駆動モータ、及び制御器を含む。クラスタ３６は、図１の車輪として示される地面接触要素１８を含む。車輪１８は、クラスタアーム４０上に設置され、各車輪１８は、制御器８によって駆動され得る。クラスタアーム４０は、クラスタ軸２２の周りを回転し、アームの回転が制御器によって管理される。制御器８は、メモリ記憶装置と通信するプロセッサを備える。プロセッサは、メモリ記憶装置に格納された制御プログラムを実行する。プロセッサは、乗物の状態を感知し、乗り手１４からのコマンドを受信することができる複数のセンサ３８と通信する。プロセッサは、また、駆動アンプと通信し、その駆動アンプにコマンドを送信する。駆動アンプは、駆動モータに電流を供給する。
【００１０】
上述のように、制御器８は、クラスタアーム４０と回転する車輪１８を独立して制御することができる。加えて、地面接触モジュール３６のセンサ３８は、車輪１８及びクラスタアーム４０の角度位置及び／又は回転率のような変数と同様に、乗物１０のピッチ、回転、及び偏揺れを感知することができる。センサからの信号は、制御器に伝えられ、車輪及びクラスタモータを駆動するために制御器に用いられる。クラスタ及び車輪の独立制御のために、乗物は、いくつかのモードで操作でき、それによって、乗り手又は制御器は、土地の地形に応じてモード間を切り換えることができる。
【００１１】
例えば、「スタンダードモード」では、クラスタ３６は、クラスタの前輪１４を地面から持ち上げるために回転され、決まった位置に固定される。そして、制御器は、乗物が電動車椅子として作動するために、単純なＰＩＤループに置かれる。「バランスモード」では、クラスタ３６は、９０°回転され、決まった位置に固定される。そして、制御器は、車輪モータに対するコマンドによって乗物のバランスをとって運転することを可能にする。１９９９年５月２８日に出願され、参照によってここに組み込まれた米国特許出願番号第０９／３２１，４０１に記述される「エンハンスト（拡張）モード」では、制御器８によって、車輪１８とクラスタ３６の両方が同時に操作できる。
【００１２】
階段モードでは、乗物１０は、適当な階段上の各クラスタの第２の車輪４２（すなわち、現在接触していない車輪）を配置するような方法でクラスタ３６を回転することによって、階段を昇降する。クラスタ回転中、乗物は、各クラスタからただ一つの車輪１８によって指示され、落下に関して不安定である。「バランス」か「エンハンスト」モードのいずれかにおける操作と異なる方法で、制御器８は、乗物のバランスを取ろうと試みない。その代わりに、乗り手１４は、階段の手すり（図示せず）を握ることでバランスを維持する。手すりは、また、階段を登るか降りるか乗物に指示するために、前後方向に車を傾けるためのてこの作用点を乗り手に提供する。クラスタモータを操作するために制御器８によって用いられるクラスタ制御法則は、‘９６５号特許に記述される車輪モータのための制御法則と同一の形式を有し、以下のように表される：
【式１】
0004574016.tif 000002
上式では、Ｔｃはクラスタトルクを、θは乗物ピッチ誤差を、ψｃは垂直に関するクラスタ角誤差を、及び、Ｋｉは各動的変数のための利得を表す。ピッチは、地球に固定される鉛直方向に関して定義され、他方誤差は、現在の計測値と、制御器によって予めあるいはリアルタイムで設定され得る基準値との間の相違を示す。垂直に関するクラスタ角（さもなければ「クラスタ位置」として言及される）は、乗物に固定され、制御器８を含む機械的構造（「Ｅ−ボックス」として言及される）に添え付けられたセンサの読みに一部基づいた計算値である。その代わりに、クラスタ角は、Ｅ−ボックス自体に言及してもよく、この場合、Ｅ−ボックスに関するクラスタ角は、δによって示される。利得Ｋ３及びＫ４は、結果的に調整される。上付ドットは、動的変数の時間微分を示す。利得が車輪及びクラスタ制御法則のために異なるけれども、最初の４つの項は、車輪の制御法則と同一の形式を有する。例えば、車輪制御法則は、車輪速度がゼロに対応するＫ３を設定するが、クラスタ制御法則は、クラスタ回転率がゼロではない値に対応するＫ３を設定する。
【００１３】
クラスタ制御法則の第５項は、クラスタが実質的に定常状態ではない誤差を持つ指定角度に行くことを確実にするために用いられる。例えば、バランスモードで、クラスタは０°に回転され、そこに固定される。クラスタが回転されるにつれて、角度誤差は減少し、垂直方向への回転は、クラスタが０°に達する前にストップしてもよい。クラスタが０°に達することを確実にするために、クラスタ制御法則の第５項は、クラスタが０°の指定された方向に達し得るように、クラスタモータコマンドに追加の成分を加える。
【００１４】
これまでに記述された制御法則は、階段の昇降のために乗物を操作するのに役立つ。階段を昇降するために、乗り手１４は、階段を下るために順方向に、あるいは階段を登るために逆方向に乗物１０を傾ける。乗り手は、階段の手すりを押しあるいは引くことによってこれを達成する。乗り手がクラスタに次のステップへ車輪を回転させるために手すりに必要な力を及ぼすために十分な上部本体強度を欠く場合、補助者は、乗り手が乗物を順逆方向に傾けるのを助けてもよい。その代わりに、ピッチ利得Ｋ１が減少されてもよい。Ｋ１を減少することは、乗物が一層容易に階段に傾くという効果を有し、それによって乗り手は、手すりにあまり力をかけることなく乗物を傾けることができる。しかしながら、小さいＫ１も、階段を登る間クラスタのよりゆっくりとした回転をもたらし、それによって階段を登る時間が増加する。
【００１５】
本発明の好ましい実施の形態によれば、以下に記述されるように、追加の項が車輪及びクラスタの両制御法則に加えられてもよく、それは、乗物を傾けるために乗り手の要求する努力が著しく減少される利点を提供する。従って、補助者の補助なしに階段を登り降りできる乗り手がほとんどである。
【００１６】
図２ａ〜２ｄは、階段を登るときに総合して知られる、階段昇降の段階を示す。本発明は、上昇及び下降の両方のために同一の制御モードを用い、乗り手が階段走行の方向を選択する必要がない。それによって、乗り手による間違った選択の可能性を排除し、追加の安全性を提供する。図の簡略化の目的のため、クラスタアーム２２０に取り付けられた２つの車輪２１０及び２１２のみを示す。一般に２０で示される乗り手と乗物は、ともに乗り手と乗物の重心（ＣＧ）２２０によって表される。ライン２４０は、ＣＧ２３０とクラスタ軸２５０によって画定される。ライン２４０と、クラスタ軸２５０を通過する重力に関する垂線２５２とによって画定される角度は、乗物ピッチ（フレームピッチ）θを定義する。クラスタアーム２２０と、クラスタ軸２５０を通過する重力に関する垂線によって画定される角度は、クラスタ位置（または「クラスタ角」）ψｃを定義する。
【００１７】
図２ａは、階段２７０の登りの底部踊り場上の乗物２０を示す。典型的な階段モード動作では、乗り手は、階段に背を向けている。従って、階段に背を向けた方向は、「前部」方向として以下の記述で言及され、一方、階段に向かう方向は、「後部」方向として言及される。階段の蹴上げ２８０に最も近い車輪２１２は後輪と、また、階段の蹴上げ２８０から最も離れた車輪２１０は前輪とみなされる。
【００１８】
乗り手が図２ａに示される底部踊り場２６０上に乗物を置いた後、制御器８に指示することにより「階段モード」に入る。乗り手は、図２ｂに示されるように、後輪２１２の中心２９０を越える位置までＣＧ２３０を移動する。乗り手は、手すりをつかんで引っ張ることにより、ＣＧ２３０を移動してもよい。その代わりに、ＣＧ２３０が乗り手及び乗物２０を傾かせる補助者によって移動されてもよい。好ましい実施の形態では、制御器８（図１に示される）は、乗り手のためにフレームピッチを変更してもよい。ＣＧ２３０が後輪の中心２９０の後まで移動すると、クラスタアームは、図２ｃに示されるように、踊り場２６０から次のステップ２９５に向けて前輪を持ち上げるために回転する。
【００１９】
図２ｄにおいて、クラスタモータ（図示せず）が次のステップ２９５上に前輪を回転した後の乗物２０の配置を示す。乗り手が階段２７０を登り続けることを決めるならば、乗り手は、参照数字２３４によって示される指定線を越えてＣＧ２３０を移動する。ライン２３４と、クラスタ軸２５０を通過する重力に関する垂線とによって画定される角度は、後部角θrearとして定義される。ライン２３２と、クラスタ軸を通過する重力に関する垂線とによって画定される角度は、前部角θfrontとして定義される。前部角及び後部角は、それらが明示的に示される図４を参照して以下により詳細に記述される。
【００２０】
乗り手が階段２７０を降りることを決めるならば、乗り手は、前部角θfrontの前にＣＧ２３０を移動する。制御器は、測定されるピッチθと前部角及び後部角を比較することによって、クラスタ回転の方向を自動的に決定する。θ＞θfrontならば、制御器は、反時計回りの方向（図２ｄ参照）にクラスタを回転し、乗物２０は階段２７０を降りる。θ＜θrearならば、制御器は、時計回りの方向（図２ｄ参照）にクラスタを回転し、乗物は階段２７０を登る。
【００２１】
上方及び下方の両方の階段走行のために同一の制御器を用いることは、乗り手が間違った階段走行方向を偶然に選択することを防止することによって、乗り手に重要な安全機能を提供する。
【００２２】
図３は、階段モードのためのサブモードの概略的なブロック図を示す。（米国特許出願第０９／３２１，４０１号に記述される）拡張モード３００から、乗り手は階段モード３１０を選択する。各サブモードは、一般化された制御法則のシステム動的変数と結び付けられる利得係数のセットによって特徴付けられる。車輪モータのため（車輪制御法則）及びクラスタモータのため（クラスタ制御法則）の一般的制御法則は、それぞれ以下の式（１）及び（２）に示される。
【００２３】
【式２】
0004574016.tif 000003
上式では、ＶＷ及びＶＣは、それぞれ車輪及びクラスタモータのためのコマンド電圧である。下付きのｗは車輪変数に、下付きのｃはクラスタ変数に言及し、変数上部の上付きドットがそうであるように、下付きのｒは、変数の時間微分を示す。プライム表記法は、誤差変数、すなわち、変数の実効値と変数の望ましい値との間の相違を示す。例えば、車輪位置誤差ψ’Ｗは、式ψ’Ｗ＝ψＷdesired−ψ’Ｗによって定義され、ここで、ψ’Ｗは、オンボードのセンサによって決定される車輪位置を表し、ψＷdesiredは、制御器によって計算される望ましい車輪位置を表す。ｋ’は、各変数の利得を表す。ピッチ変数はθによって、車輪位置はψＷによって、クラスタ位置はδによってそれぞれ表される。各サブモードは、式（１）及び（２）に示される利得のセットによって特徴付けられる。各利得の特定の値の選択は、サブモードの目的と乗り手の快適さのような要因に依存し、以下のサブモードの記述を与えられた過度の実験をすることなく、制御技術の当業者によって決定され得る。
【００２４】
更に図３において、階段モード３１０は、乗り手の選択により拡張モードから入力される。階段モードの制御法則は、「拡張モード」の制御法則よりも非常に難しく、同一の外乱非干渉を提供しない。そのような状況を防ぐために、「階段モード」３１０は、「位置サーボ系クラスタ（Position Servo Cluster）」又は「ＰＳＣ」３２０そして言及されるサブモードを通して入力される。サブモードＰＳＣ３２０は、乗物が階段の踊り場のような地面レベルにあるとき、しっかりした壇を提供する。階段の踊り場の安定性は、ピッチ利得ｋθ及びｋθｒを位置利得ｋｄ、ｋｐ及びｋｉに比較して小さい値に設定することによってクラスタ制御法則において提供される。大きい位置利得は、ＣＧに関するクラスタ位置の動きの鈍い位置制御をもたらす。同様な安定性は、同じく、車輪位置利得ｋｗｐを他の車輪利得に比較して大きい値に設定することによって車輪制御法則において実行される。これは、乗り手が階段を登り始める準備をするとき、乗物を決まった位置に保持する効果を有する。クラスタの動きの鈍い位置制御は、望ましいクラスタ位置δdesiredを変えることによって、図２（ｂ）に示されるように、乗り手が後輪を越えてＣＧにシフトすることを可能にする。
【００２５】
望ましいクラスタ位置は、ボタンやジョイスティック４４（図１）のような入力装置を介して乗り手コマンド入力を処理する制御器によって変更される。δdesiredが制御器によって変更されると、δ’は、非ゼロになり、そして、ＣＧに関するクラスタの回転をもたらし、図２（ｂ）に示される配置を作り出すクラスタモータに非ゼロ電圧コマンドを作り出すｋｐによって増やされる。図２（ｂ）の同等図は、乗物ピッチθが０°からｑに減少されたものである。この記述では、慣習が用いられ、そこでは、正のピッチ角が順方向の乗物の傾斜に対応する。制御器は、乗物の非ゼロピッチスレートを検出し、自動的にサブモード「OnLanding（踊り場上、オンランディング）」３３０に移行する。サブモード間の移行は、制御技術の当業者にとって明白なように、終了するサブモードに関する利得をクラスタ及び車輪制御法則に入力するサブモードに関する利得に置き換えることによって達成される。本発明の好ましい実施の形態では、移行は、参照によってここに組み込まれる米国特許出願第０９／３２２，４３１号に記述されるような制御スケジューリングによって達成される。
【００２６】
オンランディングサブモード３３０では、制御器は、乗り手が乗物ピッチθを変更することによってクラスタモータを制御することを可能にする。さらに、オンランディングサブモード３３０は、乗物が前後いずれかの方向に自由に回転することを可能にする。オンランディングサブモード３３０は、ピッチ利得ｋθとレート利得ｋθｒ及びｋｄを設定することによって、クラスタ制御法則の他のクラスタ利得に比較して大きい値への乗り手ピッチ制御を可能にする。大きいｋθは、クラスタモータを乗物のピッチの小さな変化に対して敏感にする効果を有する。ｋθと（θ’front＋θ’rear）に関連するピッチ誤差状態変数は、ＣＧが前部角の前にある角度θfront、又はＣＧが後部角の後にある角度θrearを表す。ピッチ誤差状態変数は、式（１）及び（２）に定義される誤差変数よりもわずかに複雑な関数であり、前部角及び後部角の記述と関連してここで記述される。誤差状態関数θ’front及びθ’rearは、以下に示す２面性の関数である。
【００２７】
【式３】
0004574016.tif 000004
【００２８】
前部角及び後部角は、図４を参照して一層容易に理解され得る。それは、クラスタ及び車輪配置を示し、前後角の計算で用いられる角度と長さを識別する。図４は、乗物の車輪４１０及び４１１が階段のより低いステップ４５０上に前輪４１０で、階段の上部ステップ４５２上に後輪４１１で階段上にいるように、乗物の車輪４１０及び４１１の配置を示す。前輪及び後輪の中心４１２及び４１３はそれぞれ、クラスタ軸４２１の周りを順番に回転するクラスタアーム４２０に回転可能に装備される。基準垂線４３０は、クラスタ軸４２１を通過する。占有された乗物のＣＧ４４０の位置は、ＣＧ４４０からクラスタ軸４２１までのラインＬ１の長さによって、及び、基準垂線４３０及びＬ１４２２によって画定された角度であるピッチ角θによって記述される。クラスタ位置ψCは、基準垂線４３０とクラスタアーム４２０によって画定される角度である。基準垂線に関する角度の符号規約は、反時計回りが正である。指定された前部垂線４４１は、クラスタアーム４２０によって画定されるラインと交差し、クラスタ軸４２１と、クラスタアーム４２０と前部垂線４４１の交点との間の水平距離としてＸfrontを定義する。同様に、Ｘrearは、クラスタ軸４２１と、指定された後部垂線４４２とクラスタアーム４２０の交点との間の水平距離である。前部角θfrontは、ＣＧ４４０が前部垂線４４１上にあるときピッチ角として定義される。後部角θrearは、ＣＧ４４０が後部垂線４４２上にあるときピッチ角として定義される。
【００２９】
オンランディングサブモード３３０は、同じく、乗物がいずれかの方向に自由に回転することを可能にする。これは、車輪位置誤差をゼロに設定することによって実行される。これは、乗り手が階段を上る前に底部蹴上げに対して乗物を位置し、階段を降り始めるために頂部踊り場から乗物を操縦することを可能にする。
【００３０】
乗り手は、手すりのような近くの物体を押すか引くことによって、乗物ピッチθを変更することができる。乗り手がθを変更するとき、ｋθの相対的に大きい値は、クラスタを駆動するためにクラスタアンプに非ゼロコマンドを提出し、クラスタは、図２（ｃ）に示されるように回転し始める。クラスタが回転するとき、クラスタ位置δは同じく、変化する。制御器は、クラスタ位置を監視し、クラスタがもはや水平方向ではないと決定するとき、制御器は、サブモード「登り」３４０（図３参照）に自動的に移行する。
【００３１】
サブモード登り３４０は、乗り手が乗物ピッチθを変更することによってクラスタモータを制御することを可能にする。登り３４０で用いられるクラスタ制御法則は、オンランディングサブモード３３０で用いられるクラスタ制御法則と類似するか、あるいは同一である。
【００３２】
登り３４０サブモードは、乗物が逆方向に回転するのを可能にするが、順方向に回転することを許さない。車輪は、乗物が偶然にステップを転がるのを防止するために、安全限界として順方向に回転することを妨げる。登り３４０サブモードのこの関数は、車輪位置利得ｋｗｐを他の車輪利得の値に比較して大きい値に設定することによって実行される。制御器は、また、ψＷdesered＞ψＷのときはいつも、望ましい車輪位置ψＷdeseredを感知される車輪位置ψＷにリセットする。これは、車輪が逆方向には自由に動くが、車輪がψＷdeseredの前を走行するならば、復元力を作り出す。
【００３３】
0004574016.tif 000005
【００３４】
乗物が頂部踊り場上の物体に後方に加速するのを防ぐために、制御器は、車輪位置ψｗを監視する。後輪が踊り場上を後方にわずか１ホイールベース長さ（中心４１２と４１３の間の距離）動かしたとき、制御器は、前輪が頂部踊り場を越えるのを安全に想定することができ、サブモードオンランディング３３０に自動的に移行する。
【００３５】
登り３４０サブモードのための車輪制御法則は、また、車輪ピッチ利得ｋｗθ及びｋｗθｒに比較的大きい値を用いることによって、サブモードの第２の目的を達成するために、ピッチ状態情報を用いる。式（１）のピッチ項の記号は、車輪回転が常に逆方向にあることを保証するために変えられる。ピッチレートの場合、ピッチレートの絶対値がとられ、記号は、ピッチ回転方向にかかわらず車輪へのコマンドが常に逆方向にあるだろうことを保証するために負である。同様に、後部ピッチ誤差は、前部ピッチ誤差から引かれる。
【００３６】
クラスタが上昇中前輪を次のステップに回転するか、下降中後輪を次のステップに回転するとき、前部及び後部角は、制御器によって再計算される。回転する車輪（上昇中前輪又は下降中後輪）が次のステップに接近するとき、ＣＧは、上昇中後部角の前に又は下降中前部角の後ろに移動し、制御器は、図３に示されるサブモード移動３５０に自動的に移行する。
【００３７】
移動３５０サブモードは、乗り手が各ステップ上に立ち止まり、乗り手が登り続けることを望むならばθrearの後部に、乗り手が階段を降りることを望むならばθfrontの前にＣＧを移行することを可能にする。移動３５０サブモードは、手すりを押すか又は引くことによって、乗り手がシフトするのを可能にする。その代わりに、登り３４０サブモードで用いられるのと同一の車輪制御法則によって実行されるように、移動３５０サブモードは、乗物が順方向ではない逆方向に回転するのを可能にする。
【００３８】
乗り手が各ステップ上に立ち止まり、乗り手が登り続けることを望むならばθrearの後方に、又は乗り手が階段を降りることを望むならばθfrontの前にＣＧを移行することを可能にするために、クラスタは、θfront＞θ＞θrearであればいつでも以下の制御法則に従って駆動される。
【００３９】
Ｖｃ＝ｋθ’        （５）
このサブモードの利得ｋは、十分に低く設定され、乗り手が手すりに適度な力を用いて前部角と後部角の間の乗物ＣＧをシフトするのを可能にする。ｋの小さい値は、乗り手が前部角と後部角の間のＣＧを容易にシフトできるソフトな領域として乗り手に現れる。
【００４０】
移動３５０サブモードである間、制御器は、クラスタ位置を調べる。乗り手が階段状態上にあるならば、前輪が後輪から異なるステップ上にあるので、クラスタ位置は水平ではない。クラスタ位置が水平方向であることを制御器が検出するならば、制御器は、乗物が頂部又は底部踊り場のいずれか上にあると想定し、オンランディングサブモード３３０に自動的に移行する。
【００４１】
乗り手に応じて乗物を傾けるために、前部及び後部角は、階段上昇中制御器によって再計算される。これは、図５を参照して一層容易に理解される。図５では、乗物の車輪５０１及び５０２は、一つの階段の上昇中を示される。図５ａは、低いステップ上に前輪５０１，上のステップ上に後輪５０２である乗物の描写を示す。車輪は、クラスタ軸５０４の周りを回転するクラスタアーム５０３に取り付けられる。前部角θfrontは、第１ライン５１１と、図示しないクラスタ軸５０４を通過する垂直基準によって画定される。後部角θrearは、第２ライン５１２と垂直基準によって画定される。図５ａでは、乗物は、θfrontとθrearの間の占有された乗物のＣＧ５２０と、非水平位置のクラスタアーム５０３とを持つ移動３５０サブモードにある。移動３５０サブモードの間、乗り手は、ピッチθがθrearに等しい図５ｂに示される配置に乗物のＣＧ５２０を容易にシフトすることができる。式（５）上部に示される移動３５０サブモードのクラスタ制御法則がピッチ誤差利得ｋのために比較的小さい値を有するので、乗り手は、ＣＧ５２０を容易にシフトすることができる。
【００４２】
図５（ｂ）では、θ＝θrearであり、制御器は、登り３４０サブモードに自動的に移行する。図５ｃに示されるように乗り手がθrearの後ろにＣＧ５２０をシフトするとき、制御器は、クラスタアーム５０３を回転し、前輪５０１を低いステップから持ち上げる。図５（ａ）〜（ｈ）に示されるように、θfrontとθrearは、クラスタアーム５０３が回転するにつれて変化する。特に、図５（ｃ）〜図５（ｇ）に示されるように、乗物が後輪だけによって支えられている回転段階の間、θfrontとθrearの間の違いは、乗り手がクラスタアーム５０３の回転中階段上昇の方向を反転することと決める移動３５０サブモードに使う時間を最小にするために小さい。図５（ｆ）は、クラスタアーム５０３が後輪５０２上に前輪５０１を配置する垂直位置に回転したことを示す。ＣＧ５２０がまだθrearの後ろであるので、制御器は、クラスタアーム５０３を回転し続ける。クラスタアーム５０３が回転するにつれて、制御器は、前部及び後部角の新しい値を計算し、図５（ｇ）に示される配置は、絶えず更新された前部及び後部角がθ＝θrearの位置まで展開するところに達せられる。ピッチが後部角と等しくなるとき、制御器は、移動３５０サブモードに自動的に移行する。
【００４３】
図５（ｇ）は、前輪が次のサイクルのための後輪になるために次のステップに回転された一階段上昇サイクルの終わりにおける乗物の配置を示す。
【００４４】
前部及び後部車輪角を計算するために用いられる前後輪機能の選択は、階段上昇中乗り手の快適さと安全性を最適化するために選択される。好ましい実施の形態では、前部及び後部角は、乗り手にカスタマイズされ、クラスタ位置ψｃに依存する。小さい角度近似を用いて、前部及び後部角は、以下の式によって計算されてもよい。
【００４５】
【式４】
0004574016.tif 000006
上式では、量（１／Ｌ１）及びθrefは、米国継続出願番号第０９／３２１，４０１号に記述されるように、乗り手カスタマイゼーション中に決定される定数である。関数ＸfrontとＸrearの両方は、ψｃの関数であり、帰納的に決定されてもよい。特に、ＸfrontとＸrearの間の関数の関係は、それぞれ、ψｃの関数として、本発明の一実施の形態における図６にプロットされ、それぞれは、Ｌ２と各クラスタの車輪軸間の距離とに関して標準化される。
【００４６】
0004574016.tif 000007
【００４７】
もう一つの実施の形態では、制御器は、θ’rearが、占有された乗物のＣＧが後部角θrearの後ろにある状況に対応するゼロ以下のとき、落下状態を示す。ψｃmaxとθfallの値の選択は、制御技術の通常の技術の範囲内である。
【００４８】
ブレーキピッチ制御器の代わりの実施の形態では、クラスタモータアンプは、クラスタモータを駆動し続けてもよいが、クラスタモータ上に置かれる負荷は制限される。クラスタモータは、階段を登るためにクラスタを回転するとき最大の負荷を経験する。階段下降中、モータは、ずっと小さい負荷を経験する。なぜならば、乗物の進行方向が重力と同一方向だからである。それゆえ、クラスタモータの負荷は、モータ又はバッテリの加熱が検出されるとき階段上昇を妨げることによって制限され得る。ブレーキピッチ制御器の一実施の形態では、モータ又はバッテリの加熱が検出されるときθ＜０°ならば、クラスタブレーキが使用される。ブレーキピッチ制御器のさらなる実施の形態では、モータ又はバッテリの加熱及びθ＜０°が検出されるならば、クラスタ位置及びレート誤差変数δ’及びδ’は、ゼロに再設定され、δdesiredはゼロに設定され、及びδdesiredは、加熱及びθ＜０状態が起こったときδ０がδの値であるδ０に設定される。階段を下降することをまだ可能にする間、加熱が検出されるとき乗り手が階段を登り続けようとするならば、再設定の効果は、クラスタを効率的にロックすることである。さらに、再設定は、クラスタブレーキを物理的にロックするとき受けた遅延なく、クラスタを効率的にロックする。
【００４９】
本発明の種々の説明的な実施の形態、その利点及び任意選択機能のいくつかが記述されたが、そのような実施の形態が単に例として与えられ、限定のために与えられていないことは明白である。当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、追加の実施の形態と同様に、これらの実施の形態上の交代及び改良を容易に考案可能であろう。例えば、車輪が一つの線形クラスタアームに接続されるけれども、クラスタアームは、一つのクラスタに２以上の車輪を適応させるためにある角度で曲げられてもよい。それに加えて、クラスタアームは、それぞれが一つの車輪のみを持つ、２以上のクラスタアームに分割されてもよい。ここで、クラスタ軸は完全に一致してもよく、又はしなくてもよい。したがって、本発明は、以下の特許請求の範囲及びその均等物で定義されるものだけによって限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態が有利に使用されるタイプの先行技術の個人用乗物の側面図である。
【図２】  階段昇降サイクルの段階を示す図である。
【図３】  本発明のサブモードの概略的なブロック図である。
【図４】  本発明の前後部の角度の間の関係を示す。
【図５】  一段登るサイクルについての前後部の角度を示す。
【図６】  本発明の実施の形態における前後部の角度の仕様書に用いられる機能のプロットを提供する。
【図７】  ブレーキピッチ制御器の概略的なブロック図である。
【図１】
0004574016.tif 000008
【図２Ａ】
0004574016.tif 000009
【図２Ｂ】
0004574016.tif 000010
【図２Ｃ】
0004574016.tif 000011
【図２Ｄ】
0004574016.tif 000012
【図３】
0004574016.tif 000013
【図４】
0004574016.tif 000014
【図５Ａ】
0004574016.tif 000015
【図５Ｂ】
0004574016.tif 000016
【図５Ｃ】
0004574016.tif 000017
【図５Ｄ】
0004574016.tif 000018
【図５Ｅ】
0004574016.tif 000019
【図５Ｆ】
0004574016.tif 000020
【図５Ｇ】
0004574016.tif 000021
【図５Ｈ】
0004574016.tif 000022
【図６】
0004574016.tif 000023
【図７】
0004574016.tif 000024