(57)【要約】【課題】様々な搭乗者に対してハンドル部の操作性を良好にすることができる倒立二輪車を提供する。【解決手段】左右一対の車輪を回転制御して走行する倒立二輪車１００は、搭乗者によって操作されるハンドル部１３と、ハンドル部１３が基準位置から右に傾斜した際に、ハンドル部１３を前記基準位置に戻す方向に反発力を発生する第１反発力発生部品３１と、ハンドル部１３が基準位置から左に傾斜した際に、ハンドル部１３を基準位置に戻す方向に反発力を発生する第２反発力発生部品３２と、を備える。第１反発力発生部品３１及び第２反発力発生部品３２は、第１反発力発生部品３１が発生する反発力とハンドル部１３の傾斜量との関係及び第２反発力発生部品３２が発生する反発力とハンドル部１３の傾斜量との関係を独立に変更可能なように構成されている。【選択図】図３
2017087811.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
左右一対の車輪を回転制御して走行する倒立二輪車であって、
搭乗者によって操作されるハンドル部と、
前記ハンドル部が基準位置から右に傾斜した際に、前記ハンドル部を前記基準位置に戻す方向に反発力を発生する第１反発力発生部品と、
前記ハンドル部が前記基準位置から左に傾斜した際に、前記ハンドル部を前記基準位置に戻す方向に反発力を発生する第２反発力発生部品と、
を備え、
前記第１反発力発生部品及び前記第２反発力発生部品は、前記第１反発力発生部品が発生する反発力と前記ハンドル部の傾斜量との関係及び前記第２反発力発生部品が発生する反発力と前記ハンドル部の傾斜量との関係を独立に変更可能なように構成され、
前記第１反発力発生部品又は前記第２反発力発生部品は、第１の構成、第２の構成、第３の構成、又は第４の構成を有し、
前記第１の構成及び前記第２の構成は、反発力の発生源としてのコイルばねの両端をそれぞれ支える二つの部材の一方の位置を調整することで前記二つの部材の間の間隔を変更する構成であり、
前記第１の構成において、前記二つの部材の前記一方の位置がねじ機構で調整され、
前記第２の構成において、前記二つの部材の前記一方の位置がアクチュエータで調整され、
前記第３の構成は、反発力の発生源として空気ばねを使用する構成であり、
前記第４の構成は、反発力の発生源として電磁石を使用し、前記電磁石に流れる電流を変更することで反発力を変更する構成である、
倒立二輪車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、倒立二輪車に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンパクトな構成で高い移動性能を有する車両型ロボットとして、倒立二輪車が注目されている。倒立二輪車は、移動の用途に用いられるほか、病気やケガなどでバランス確保が不自由な人のバランス練習アシストの用途に用いられることがある。
【０００３】
特許文献１は、搭乗者によって操作されるハンドル部を備えた倒立二輪車を開示している。搭乗者がハンドル部を基準位置から右に傾斜させると倒立二輪車が右に旋回し、搭乗者がハンドル部を基準位置から左に傾斜させると倒立二輪車が左に旋回する。倒立二輪車は、ハンドル部が基準位置から右に傾斜した際にハンドル部を基準位置に戻すように付勢する第１弾性体と、ハンドル部が基準位置から左に傾斜した際にハンドル部を基準位置に戻すように付勢する第２弾性体と、を更に備える。第１及び第２弾性体により、旋回運動での操作感が搭乗者にフィードバックされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２３６５２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ハンドル部を傾斜させるために必要な力が一定であるため、搭乗者によってはハンドル部の操作性が良好ではないという問題があった。例えば、搭乗者が倒立二輪車に立ち乗りした状態でハンドル部を左右何れかの方向に傾斜させながらバランスをとる上で、一方の方向へのハンドル部の操作感を逆方向への操作感よりも軽くすることによってハンドル操作し易くしたい、または、操作感を重くすることによってハンドル部の動きを安定させたい、という要望があった。
【０００６】
本発明は、様々な搭乗者に対してハンドル部の操作性を良好にすることができる倒立二輪車を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様による倒立二輪車は、左右一対の車輪を回転制御して走行する倒立二輪車であって、搭乗者によって操作されるハンドル部と、前記ハンドル部が基準位置から右に傾斜した際に、前記ハンドル部を前記基準位置に戻す方向に反発力を発生する第１反発力発生部品と、前記ハンドル部が前記基準位置から左に傾斜した際に、前記ハンドル部を前記基準位置に戻す方向に反発力を発生する第２反発力発生部品と、を備える。前記第１反発力発生部品及び前記第２反発力発生部品は、前記第１反発力発生部品が発生する反発力と前記ハンドル部の傾斜量との関係及び前記第２反発力発生部品が発生する反発力と前記ハンドル部の傾斜量との関係を独立に変更可能なように構成されている。前記第１反発力発生部品又は前記第２反発力発生部品は、第１の構成、第２の構成、第３の構成、又は第４の構成を有する。前記第１の構成及び前記第２の構成は、反発力の発生源としてのコイルばねの両端をそれぞれ支える二つの部材の一方の位置を調整することで前記二つの部材の間の間隔を変更する構成である。前記第１の構成において、前記二つの部材の前記一方の位置がねじ機構で調整される。前記第２の構成において、前記二つの部材の前記一方の位置がアクチュエータで調整される。前記第３の構成は、反発力の発生源として空気ばねを使用する構成である。前記第４の構成は、反発力の発生源として電磁石を使用し、前記電磁石に流れる電流を変更することで反発力を変更する構成である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、様々な搭乗者に対してハンドル部の操作性を良好にすることができる倒立二輪車が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１にかかる倒立二輪車の概略的な正面図である。
【図２】実施の形態１にかかる倒立二輪車が備える走行制御系のブロック図である。
【図３】実施の形態１にかかる倒立二輪車が備えるリンク機構及び反発力発生部品の概略的な模式図である。
【図４】実施の形態１にかかる倒立二輪車の部分拡大正面図である。
【図５】実施の形態１にかかる反発力発生部品の概略的な模式図である。
【図６】実施の形態１にかかる反発力発生部品のばね特性を示すグラフであって、プリテンションが小さい場合（ａ）、中くらいの場合（ｂ）、大きい場合（ｃ）について示すグラフである。
【図７】実施の形態１にかかる反発力発生部品の変形例１の概略的な模式図である。
【図８】実施の形態１にかかる反発力発生部品の変形例２の概略的な模式図である。
【図９】実施の形態１にかかる反発力発生部品の変形例２の概略的な模式図である。
【図１０】実施の形態２にかかる倒立二輪車が備えるリンク機構及び反発力発生部品の概略的な模式図である。
【図１１】実施の形態２にかかる反発力発生部品の概略的な模式図である。
【図１２】実施の形態２にかかる反発力発生部品の変形例の概略的な模式図である。
【図１３】実施の形態３にかかる倒立二輪車が備えるリンク機構及び反発力発生部品の概略的な模式図である。
【図１４】実施の形態３にかかる反発力発生部品の電流制御系のブロック図である。
【図１５】実施の形態３にかかる反発力発生部品のばね特性を示すグラフであって、電磁石に流れる電流が小さい場合（ａ）、中くらいの場合（ｂ）、大きい場合（ｃ）について示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（実施の形態１）
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。
図１は、実施の形態１にかかる倒立二輪車１００の概略的な正面図である。倒立二輪車１００は、車両ベース１０と、右側の車輪１１と、左側の車輪１２と、搭乗者によって操作されるハンドル部１３とを備える。車両ベース１０は、車輪１１及び１２を回転可能に支持するとともに、ハンドル部１３を左右に傾斜可能に支持している。図１には、ハンドル部１３が基準位置にある状態、すなわち左右どちらにも傾斜していない状態が示されている。倒立二輪車１００は、左右一対の車輪１１及び１２を回転制御して走行する。倒立二輪車１００は、同軸二輪車とも称される。
【００１１】
図２は、倒立二輪車１００の走行制御系のブロック図である。倒立二輪車１００の走行制御系は、倒立二輪車１００の状態を検出するセンサ群１５と、制御装置１６と、右側の車輪１１を回転駆動する駆動装置１７と、左側の車輪１２を回転駆動する駆動装置１８とを備える。制御装置１６は、センサ群１５の検出結果に応じて、駆動装置１７及び１８を制御する。例えば、ハンドル部１３が基準位置から右に傾斜していることをセンサ群１５が検出すると、制御装置１６は、倒立二輪車１００が右に旋回するように駆動装置１７及び１８を制御する。ハンドル部１３が基準位置から左に傾斜していることをセンサ群１５が検出すると、制御装置１６は、倒立二輪車１００が左に旋回するように駆動装置１７及び１８を制御する。
【００１２】
図３を参照して、倒立二輪車１００が備えるリンク機構及び反発力発生部品を説明する。車両ベース１０は、４節リンク機構２０と、反発力発生部品３１及び３２とを備える。４節リンク機構２０は、上側リンクとしてのリンク２１と、下側リンクとしてのシャシー２２と、右側リンクとしての右側ステップ２３と、左側リンクとしての左側ステップ２４と、これらを連結する回転軸２５〜２８とを備えた平行リンク機構として構成されている。右側ステップ２３及び左側ステップ２４には、搭乗者の右足及び左足がそれぞれ載せられる。また、右側ステップ２３が右側の車輪１１を回転可能に支持し、左側ステップ２４が左側の車輪１２を回転可能に支持してもよい。ハンドル部１３は、回転軸２９及び３０をそれぞれ介してリンク２１及びシャシー２２に連結されている。したがって、ハンドル部１３が右に傾斜するとリンク２１がシャシー２２に対して右に変位し、ハンドル部１３が左に傾斜するとリンク２１がシャシー２２に対して左に変位する。
【００１３】
反発力発生部品３１及び３２は、ばね部品である。反発力発生部品３１及び３２は、リンク２１とシャシー２２を連結し、リンク２１とシャシー２２の相対変位に応じて反発力を発生する。反発力発生部品３１は、ハンドル部１３が基準位置から右に傾斜した際に、すなわちハンドル部１３が図３の矢印の向きに傾斜した際に、ハンドル部１３を基準位置に戻す方向に反発力を発生する。反発力発生部品３２は、ハンドル部１３が基準位置から左に傾斜した際に、ハンドル部１３を基準位置に戻す方向に反発力を発生する。なお、反発力発生部品３１は、ハンドル部１３が基準位置から左に傾斜した際には反発力を発生しない。反発力発生部品３２は、ハンドル部１３が基準位置から右に傾斜した際には反発力を発生しない。
【００１４】
後で詳細に説明するように、反発力発生部品３１及び３２は、反発力発生部品３１が発生する反発力とハンドル部１３の傾斜量との関係及び反発力発生部品３２が発生する反発力とハンドル部１３の傾斜量との関係を独立に変更可能なように構成されている。これらの関係を搭乗者に応じて変更することで、様々な搭乗者に対してハンドル部１３の操作性を良好にすることができる。尚、ハンドル部１３を基準位置に戻す反発力とハンドル部の傾斜量との関係は、左右対称となるように設定されてもよく、左右非対称となるように設定されてもよい。すなわち、反発力発生部品３１の反発力とハンドル傾斜量との関係及び反発力発生部品３２の反発力とハンドル傾斜量との関係は、互いに同じになるように設定されてもよく、互いに異なるように設定されてもよい。
【００１５】
以下、反発力発生部品３１を詳細に説明する。反発力発生部品３２は反発力発生部品３１と同様であるので、その説明を省略する。
図４は、倒立二輪車１００の部分拡大正面図であって、反発力発生部品３１の近傍を示す。図５は、反発力発生部品３１の概略的な模式図である。反発力発生部品３１は、圧縮コイルばね３３、ボルト３４、筒部３５、シャフト３６、及びナット３７を備える。シャフト３６の一端が筒部３５に挿入され、シャフト３６の一端にボルト３４が結合されている。これにより、筒部３５及びシャフト３６が軸方向に相対移動可能であるとともに、シャフト３６が筒部３５から抜け落ちないようになっている。シャフト３６の他端はリンク２１にボルトで結合されている。筒部３５は、シャシー２２に接触しているが結合されていない。
【００１６】
シャフト３６の外周部には雄ねじが形成され、その雄ねじとナット３７が係合している。圧縮コイルばね３３は、シャフト３６と同軸になるように筒部３５とナット３７の間に配置されている。圧縮コイルばね３３の両端は筒部３５及びナット３７によって押さえられる。ハンドル部１３が基準位置から右に傾斜すると、筒部３５及びナット３７が互いに接近し、圧縮コイルばね３３が圧縮される。ナット３７を回転させることで、ナット３７がシャフト３６に沿って移動する。これにより、圧縮コイルばね３３のプリテンションを変化させることができる。筒部３５に近づく方向にナット３７を移動させるとプリテンションが大きくなり、筒部３５から遠ざかる方向にナット３７を移動させるとプリテンションが小さくなる。
【００１７】
図６を参照して、反発力発生部品３１のばね特性を説明する。グラフ（ａ）〜（ｃ）の各々において、縦軸は反発力発生部品３１が発生する反発力Ｆ、横軸はリンク２１とシャシー２２の相対変位Ｘである。相対変位Ｘはハンドル部１３の傾斜量と対応している。ハンドル部１３が基準位置にあるときに相対変位Ｘはゼロである。プリテンションは、相対変位Ｘがゼロのときの反発力Ｆに等しい。グラフ（ａ）はプリテンションが小さい場合、具体的にはプリテンションがゼロの場合について示し、グラフ（ｂ）はプリテンションが中くらいの場合について示し、グラフ（ｃ）は、プリテンションが大きい場合について示す。グラフ（ａ）〜（ｃ）から明らかなように、圧縮コイルばね３３のプリテンションを変更することで、反発力Ｆと相対変位Ｘの関係を変更することができ、その結果、反発力Ｆとハンドル部１３の傾斜量との関係を変更することができる。
【００１８】
（実施の形態１の変形例１）
図７は、実施の形態１にかかる反発力発生部品３１の変形例１を示す。反発力発生部品３１の変形例１は、シャフト３６の外周部に形成された雄ねじと係合するナット３８を更に備える。ナット３８は緩み止めナットとして機能し、ナット３７及び３８はダブルナットを構成する。
【００１９】
（実施の形態１の変形例２）
図８は、実施の形態１にかかる反発力発生部品３１の変形例２を示す。反発力発生部品３１の変形例２は、ナット３７のかわりにワッシャー３９及びリニアアクチュエータ４０を備える。反発力発生部品３１の変形例２においては、シャフト３６の外周部に雄ねじが形成されていない。シャフト３６がワッシャー３９に挿通されており、リニアアクチュエータ４０がシャフト３６に結合されている。圧縮コイルばね３３は、筒部３５とワッシャー３９の間に配置されている。リニアアクチュエータ４０は、ワッシャー３９のシャフト３６に沿う位置を規定している。圧縮コイルばね３３の両端は筒部３５及びワッシャー３９によって押さえられる。ハンドル部１３が基準位置から右に傾斜すると、筒部３５及びワッシャー３９が互いに接近し、圧縮コイルばね３３が圧縮される。図９に示されるように、リニアアクチュエータ４０は、ワッシャー３９をシャフト３６に沿って移動させる。これにより、圧縮コイルばね３３のプリテンションを変化させることができる。
【００２０】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２にかかる倒立二輪車を説明する。尚、実施の形態１にかかる倒立二輪車１００と共通する事項の説明は省略する。
図１０は、実施の形態２にかかる倒立二輪車２００が備えるリンク機構及び反発力発生部品の概略的な模式図である。倒立二輪車２００の車両ベース１０は、反発力発生部品３１及び３２のかわりに反発力発生部品４１及び４２を備える。
【００２１】
反発力発生部品４１及び４２は、空気ばね部品である。反発力発生部品４１及び４２は、リンク２１とシャシー２２の相対変位に応じて反発力を発生する。反発力発生部品４１は、ハンドル部１３が基準位置から右に傾斜した際に、すなわちハンドル部１３が図１０の矢印の向きに傾斜した際に、ハンドル部１３を基準位置に戻す方向に反発力を発生する。反発力発生部品４２は、ハンドル部１３が基準位置から左に傾斜した際に、ハンドル部１３を基準位置に戻す方向に反発力を発生する。なお、反発力発生部品４１は、ハンドル部１３が基準位置から左に傾斜した際には反発力を発生しない。反発力発生部品４２は、ハンドル部１３が基準位置から右に傾斜した際には反発力を発生しない。
【００２２】
後で詳細に説明するように、反発力発生部品４１及び４２は、反発力発生部品４１が発生する反発力とハンドル部１３の傾斜量との関係及び反発力発生部品４２が発生する反発力とハンドル部１３の傾斜量との関係を独立に変更可能なように構成されている。これらの関係を搭乗者に応じて変更することで、様々な搭乗者に対してハンドル部１３の操作性を良好にすることができる。
【００２３】
以下、反発力発生部品４１を詳細に説明する。反発力発生部品４２は反発力発生部品４１と同様であるので、その説明を省略する。
図１１は、反発力発生部品４１の概略的な模式図である。反発力発生部品４１は、シリンダ４３と、シリンダ４３に設けられたガス量調整弁４４とを備える。ガス量調整弁４４を倒立二輪車２００の外部に設けられたガス量調整器と接続し、空気ばね部品としての反発力発生部品４１のガス量を調整することで、反発力発生部品４１のばね定数を変更することができる。反発力発生部品４１のばね定数を変更することで、反発力発生部品４１が発生する反発力とハンドル部１３の傾斜量との関係を変更することができる。
【００２４】
（実施の形態２の変形例１）
図１２は、実施の形態２にかかる反発力発生部品４１の変形例１を示す。反発力発生部品４１は、シリンダ４３と、シリンダ４３の内周面と密着するシール部４５と、シリンダ４３の内周面に形成された雌ねじとしてのねじ部４６と、シール部４５に結合されたねじ部４７とを備える。ねじ部４７には、ねじ部４６と係合する雄ねじが形成されている。シリンダ４３及びシール部４５によって空気ばね部品としての反発力発生部品４１の体積が規定されている。シリンダ４３をねじ部４７に対して回転させることで、シール部４５及びシリンダ４３がシリンダ４３の軸方向に相対的に移動し、その結果、空気ばね部品としての反発力発生部品４１の体積が変化する。このようにすることで、反発力発生部品４１のばね定数を変更することができる。
【００２５】
（実施の形態３）
次に、実施の形態３にかかる倒立二輪車を説明する。尚、実施の形態１にかかる倒立二輪車１００と共通する事項の説明は省略する。
図１３は、実施の形態３にかかる倒立二輪車３００が備えるリンク機構及び反発力発生部品の概略的な模式図である。倒立二輪車３００の車両ベース１０は、反発力発生部品３１及び３２のかわりに反発力発生部品５１及び５２を備える。反発力発生部品５１及び５２は、内蔵する電磁石に流れる電流を変更可能な磁気ばね部品である。
【００２６】
反発力発生部品５１及び５２は、磁気ばね部品である。反発力発生部品５１及び５２は、リンク２１とシャシー２２の相対変位に応じて反発力を発生する。反発力発生部品５１は、ハンドル部１３が基準位置から右に傾斜した際に、すなわちハンドル部１３が図１３の矢印の向きに傾斜した際に、ハンドル部１３を基準位置に戻す方向に反発力を発生する。反発力発生部品５２は、ハンドル部１３が基準位置から左に傾斜した際に、ハンドル部１３を基準位置に戻す方向に反発力を発生する。
【００２７】
後で詳細に説明するように、反発力発生部品５１及び５２は、反発力発生部品５１が発生する反発力とハンドル部１３の傾斜量との関係及び反発力発生部品５２が発生する反発力とハンドル部１３の傾斜量との関係を独立に変更可能なように構成されている。これらの関係を搭乗者に応じて変更することで、様々な搭乗者に対してハンドル部１３の操作性を良好にすることができる。
【００２８】
以下、反発力発生部品５１を詳細に説明する。反発力発生部品５２は反発力発生部品５１と同様であるので、その説明を省略する。
反発力発生部品５１は、リンク２１に取り付けられた永久磁石５３と、シャシー２２に取り付けられた電磁石５４とを備える。下記の式（１）に示すように、反発力発生部品５１が発生する反発力Ｆは、電磁石５４を流れる電流ｉの二乗に比例し、電磁石５４と永久磁石５３の間の距離ｄの二乗に反比例する。
【数１】
2017087811.tif 000003
ここで、ハンドル部１３が基準位置にあるときの電磁石５４と永久磁石５３の間の距離ｄの値を初期クリアランスｄ０とすると、距離ｄ、リンク２１とシャシー２２の相対変位Ｘ、初期クリアランスｄ０の間には下記の式（２）で表される関係がある。
【数２】
2017087811.tif 000004
【００２９】
図１４は、反発力発生部品５１の電流制御系のブロック図である。反発力発生部品５１の電流制御系は、スイッチ５６と、電流制御装置５５とを備える。電流制御装置５５は、ユーザによるスイッチ５６の操作に応じて、電磁石５４に流れる電流ｉを変更する。尚、ユーザが操作しやすいように、スイッチ５６はハンドル部１３のグリップ部に設けられることが好ましい。
【００３０】
図１５を参照して、反発力発生部品５１のばね特性を説明する。グラフ（ａ）〜（ｃ）の各々において、縦軸は反発力発生部品５１が発生する反発力Ｆ、横軸はリンク２１とシャシー２２の相対変位Ｘである。相対変位Ｘはハンドル部１３の傾斜量と対応している。グラフ（ａ）は電磁石５４に流れる電流ｉが小さい場合について示し、グラフ（ｂ）は電磁石５４に流れる電流ｉが中くらいの場合について示し、グラフ（ｃ）は、電磁石５４に流れる電流ｉが大きい場合について示す。グラフ（ａ）〜（ｃ）から明らかなように、電磁石５４に流れる電流ｉを変更することで、反発力発生部品５１が発生する反発力Ｆとハンドル部１３の傾斜量との関係を変更することができる。
【００３１】
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。
【符号の説明】
【００３２】
１００、２００、３００  倒立二輪車
１１、１２  車輪
１３  ハンドル部
２０  ４節リンク機構
３１、３２、４１、４２、５１、５２  反発力発生部品
３３  圧縮コイルばね
３４  ボルト
３５  筒部
３６  シャフト
３７、３８  ナット
３９  ワッシャー
４０  リニアアクチュエータ
４３  シリンダ
４４  ガス量調整弁
４５  シール部
４６、４７  ねじ部
５３  永久磁石
５４  電磁石
５５  電流制御装置
５６  スイッチ
【図１】
2017087811.tif 000005
【図２】
2017087811.tif 000006
【図３】
2017087811.tif 000007
【図４】
2017087811.tif 000008
【図５】
2017087811.tif 000009
【図６】
2017087811.tif 000010
【図７】
2017087811.tif 000011
【図８】
2017087811.tif 000012
【図９】
2017087811.tif 000013
【図１０】
2017087811.tif 000014
【図１１】
2017087811.tif 000015
【図１２】
2017087811.tif 000016
【図１３】
2017087811.tif 000017
【図１４】
2017087811.tif 000018
【図１５】
2017087811.tif 000019