JP5066746B2 - 倒立振子型四輪走行装置 - Google Patents

Description

本発明は、前後方向の移動だけでなく装置自体の向きを変えずに横方向への移動が可能な倒立振子型四輪走行装置に関する。

従来の倒立振子型走行装置には、二輪走行装置と三輪走行装置とが知られている。特許文献１に記載された倒立振子型台車ロボットは、二輪走行装置であり、台車本体の左右両側に車軸が同一直線上に配置された主車輪を備えると共に各車輪に対応してモータを備え、台車本体の傾動方向の位置に配置されたジャイロセンサが検出する台車本体の傾斜角速度信号を台車本体に備えた台車制御装置に入力し、台車制御装置が倒立振子制御モデルの演算を行い指令信号を各モータに出力し、各モータが対応する主車輪を駆動する構成である。

特許文献２に記載された同軸二輪車は、倒立振子型二輪走行装置であり、車輪軸の両端に車輪を備え、車輪軸上に傾動可能にベースを備え、ベースに備えた制御装置が各車輪に対応するモータに倒立振子制御モデルに基づいた作動指令を送り、各モータが対応する車輪を駆動する構成である。

特許文献３に記載された三輪走行装置は、倒立振子型であり、第１の車輪、第２の車輪及び第３の車輪が、車輪外周に沿って複数配設された各回転軸に回転自由な回転体を備え全方向移動し得る全方向車輪で構成され、第１の車輪と第２の車輪が、車軸が同一直線上となるように配置され、第３の車輪が、第１の車輪と第２の車輪との間に配置されかつ車軸が第１の車輪及び第２の車輪の車軸延長線と直交する水平な直線上に配置され、第１の車輪、第２の車輪及び第３の車輪のそれぞれにホイールインモータを備え、制御装置が、倒立振子制御モデルに基づいた作動指令を各車輪に送り、かつ第１の車輪及び第２の車輪を駆動させる際に第３の車輪を駆動させず、第３の車輪を駆動させる際に第１の車輪及び第２の車輪を駆動させない構成である。

特開２００４−３４５０３０号公報 特開２００５−１５５４号公報 特開２００９−４０１６５号公報

しかし、特許文献１、２に記載された倒立振子型二輪走行装置は、短い距離を移動するときの移動方法と、長い距離を移動するときの移動方法とで相違がある。
まず、図１２に示すように、Ａの位置から右横方向に短い距離の、Ｂの位置へ移動するときは、Ａの位置からＡとＢとの中間位置に対応する後方のＣの位置へ方向を変えながら後進し、次いでＣの位置からＢの位置へ方向を変えながら前進する、という移動方法をとる。従って、後方スペースが必要であること及び後進と前進時にはバランスを取りながら正しい経路で方向変換する必要であること、が問題点として挙げられる。
次に、図１３に示すように、Ａの位置から右横方向に長い距離の、Ｄの位置へ移動するときは、Ａの位置で右回りに９０度旋回してからＤの位置へ向かって直進し、Ｄの位置へ到達したら左回りに９０度旋回する、という移動方法をとる。従って、Ａの位置での９０度旋回を正確に行う必要があること、直進移動でＤの位置へ正確に止まる必要があること、Ｄの位置での９０度旋回を正確に行う必要があること、が問題点として挙げられる。
上記２通りの移動方法から分かるように、特許文献１，２に係る倒立振子型二輪移動体は、横方向に移動する場合には切り返しが必要となるために操縦が難しく、安全にも気を使っていた。

これに対し、特許文献３に記載された倒立振子型三輪走行装置は、横方向に移動したい場合には、そのまま横方向に移動でき、切り返しが不要である特徴を有している。しかしながら、第１の車輪及び第２の車輪による前後進時に段差を乗り越える必要がある箇所では、第３の車輪が全方向車輪で構成されているものの、段差乗り越え力が小さいために円滑な前後進が行えない場合が生じる虞があるので、段差の無い屋内などでの使用に限られていた。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、前後進及びそのままの位置で旋回できることに加え、車体の方向を変えずに横方向に移動可能であり、前後進時及び横方向移動時に段差があっても十分な段差乗り越え力を備えていて、しかも操縦が容易である、倒立振子型四輪走行装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の倒立振子制御型四輪走行装置は、車輪外周に沿って複数配設された各回転軸に回転自由な回転体を備え全方向移動し得る全方向車輪で構成された第１〜第４の車輪を有し、第１〜第４の車輪が、各車輪の接地点を同一直線上に順に並んだ配置で装置フレームに支持されると共に、装置フレームが第１〜第４の車輪の車軸線を回転中心として揺動する倒立振子型に設けられ、さらに第１の車輪と第２の車輪並びに第３の車輪と第４の車輪が、平面視において一端側が近接し他端側が開いていると共に、第２の車輪と第３の車輪が、平面視において他端側が近接し一端側が開いており、第１〜第４の車輪のそれぞれを走行駆動する駆動モータを備え、装置フレームの倒れ角を検出する倒れ角センサの信号を入力して倒立振子型の制御モデルに基づいて駆動モータを制御するコントローラを備えたことを特徴とする。
駆動モータは、小型でコンパクトな倒立振子制御型四輪走行装置を実現するために、第１〜第４の車輪のそれぞれに組み込まれるホイールインモータであることが好ましい。

運転者が乗ってスイッチオンすると、コントローラが倒立振子制御を行い、停止状態を記憶する。前進走行運転するには、運転者が運転指示手段であるハンドルシャフトを前傾させ、または運転指示手段であるレバーハンドル等を介して前進走行の指示信号を入力すると、コントローラが、この指示信号の入力に基づいて、倒立振子制御を加味した所要の演算を行って第１〜第４の車輪を前進させる制御信号を各駆動モータに出力する。それによって、第１〜第４の車輪が所要等速度で前進回転し、この際、第１〜第４の車輪が側横方向の成分速度を打ち消し合い、前進方向の成分速度で前進走行する。

前進状態から、運転者がハンドルシャフトを復帰させ、またはレバーハンドル等を介して走行停止の指示信号を入力すると、各駆動モータに備えているブレーキをかけ、第１〜第４の車輪が前進走行を停止する。

運転者がハンドルシャフトを後傾させ、またはレバーハンドル等を介して後進走行の指示信号を入力すると、コントローラは、この指示信号の入力に基づいて、倒立振子制御を加味した所要の演算を行って第１〜第４の車輪を後進させる制御信号を各駆動モータに出力する。それによって、第１〜第４の車輪が所要等速度で後進回転し、この際、第１〜第４の車輪が側横方向の成分速度を打ち消し合い、後進方向の成分速度で後進走行する。

運転者がハンドルを右回転させると、コントローラがハンドル回転角センサの信号を入力し、第１〜第４の車輪の接地点を結ぶ直線と、ハンドルシャフトの中心を通り前記の接地点を結ぶ直線に垂直に交差する垂線と、の交点を回転中心として、倒立振子制御型四輪走行装置が右回転する。左回転は、コントローラが第１〜第４の車輪に対し左右勝手反対に駆動制御することで行われる。

運転者がハンドルを右に傾かせると、コントローラがハンドル傾き角センサの信号を入力し、第１と第３の車輪を前進回転、第２と第４の車輪を後進回転させ、これに伴い、第１〜第４の車輪を構成している回転体がそれぞれ回転し、第１〜第４の車輪は、合成回転速度で方向変換しないで右進する。方向変換しない左進については、方向変換しないで右進と左右対称に異なる動作になる。

運転者がハンドルを右に回しながら右下がりに傾かせると、コントローラが、ハンドル回転角センサとハンドル傾き角センサの信号を入力し、第１と第３の車輪を大きな前進回転速度で回転させると共に、また第２と第４の車輪を小さな前進回転速度で回転させ、それによって、第２と第４の車輪を構成している回転体がそれぞれ回転し、倒立振子制御型四輪走行装置は、前方向に対して３０°右に向いて右進する。方向変換しない斜め方向に右進左進については、方向変換しないで斜め方向に右進と左右対称に異なる動作になる。

本発明の倒立振子制御型四輪走行装置は、好ましい一形態として、装置フレームを、第１の車輪と第２の車輪との三角スペース、並びに第３の車輪と第４の車輪との三角スペースに足を載せるステップを備えた立ち乗り型に形成された構成とすることができる。

本発明の倒立振子制御型四輪走行装置は、好ましい他の形態として、装置フレームを第１〜第４の車輪の上に座席を有して形成された構成とすることができる。

本発明の倒立振子制御型四輪走行装置は、装置フレームを立ち乗り型に構成した場合、倒立振子制御に対する立ち乗りでの体重移動による良好な操縦性を得るために、装置フレームより立設され第１〜第４の車輪の配列方向垂直面に対して伏仰する方向に変位するハンドルシャフトを備え、倒れ角センサが、ハンドルシャフトの傾き角度を検出するように備えられ、コントローラが、第１〜第４の車輪に対応する駆動モータに対し倒立振子型制御を行う構成とすることが好ましい。

そして、立ち乗りでの良好なハンドル操縦性・運転操作性を得るために、ハンドルシャフトの上端に第１〜第４の車輪の配列方向垂直面に沿ってＴ字状となるようにハンドルを備え、ハンドルが、水平状態から右方向及び左方向に傾き自在でありかつ弾性手段により水平状態に復帰自在であり、さらに、水平面内に一定角度内で右回動及び左回動でありかつ弾性手段により水平状態に復帰自在であり、ハンドルシャフトとハンドルとの交差部に、ハンドルの回動角度を検出する回動角センサと、ハンドルの傾き角度を検出する傾き角センサと、を備えていて、コントローラが、倒立振子型制御を行うことに加え、回動角センサの信号を入力したときはその信号に応じ、第１〜第４の車輪の合成出力が右回転又は左回転となるように第１〜第４の車輪に対応する駆動モータに対し駆動信号を出力し、また傾き角センサの信号を入力したときはその信号に応じ、第１〜第４の車輪の合成出力が方向変換しないで右進又は方向変換しないで左進となるように第１〜第４の車輪に対応する駆動モータに対し駆動信号を出力するように構成することが好ましい。

本発明の倒立振子制御型四輪走行装置は、好ましい他の形態として、装置フレームを第１〜第４の車輪の上に座席を有して形成された構成とすることができる。

座席を有して座り乗り型に構成する場合は、良好な乗降性を得るため及び良好なハンドル操縦性・運転操作性を得るために、本発明者の発明に係る特許文献３に示しているフレーム構造と同様の構造を採用するのが好ましい。すなわち、第１〜第４の車輪の上に座席を備え、該座席が、懸架装置を介して下側の装置フレームに支持され、さらに該座席には座席へ座る際には設置面近傍に位置し倒立振子型制御を行う際には設置面近傍から上方へ離れた位置する可動ステップを備えた構成とすることが好ましい。

本発明によれば、前後進及びそのままの位置で旋回できることに加え、車体の方向を変えずに横方向に移動可能であり、前後進時及び横方向移動時に段差があっても車輪が段差に平行にはならないので十分な段差乗り越え力を備えていてしかも操縦が容易である、倒立振子型四輪走行装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る倒立振子制御型四輪走行装置を示す斜視図である。 図１の四輪走行装置の正面図である。 図１の四輪走行装置の平面図である。 図１の四輪走行装置の第１〜第４の車輪について、一部切欠き断面した概略正面図である。 図１の四輪走行装置の制御系のブロック図である。 （ａ）は、図１の四輪走行装置のハンドルシャフトとハンドルとの交差部の斜視図、（ｂ）は、要部縦断面図である。 図１の四輪走行装置の前進走行を説明するための図である。 図１の四輪走行装置の後進走行を説明するための図である。 図１の四輪走行装置で右回転させる動作を説明するための図である。 図１の四輪走行装置で方向変換しないで右進させる動作を説明するための図である。 図１の四輪走行装置で方向変換しないで斜め右進させる動作を説明するための図である。 本発明の第２実施形態に係る倒立振子制御型四輪走行装置を示す斜視図である。 特許文献１、２に記載された、公知の倒立振子型二輪走行装置の動作を説明するための図である。 特許文献１、２に記載された、公知の倒立振子型二輪走行装置の他の動作を説明するための図である。

以下、本発明の倒立振子制御型四輪走行装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔第１の実施形態〕
図１〜図３に示すように、この実施形態の倒立振子制御型四輪走行装置１は、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄと、装置フレーム２０と、駆動モータ１３ａ〜１３ｄと、コントローラ４０と、倒れ角速度センサ４１と、ハンドル回転角センサ４２と、ハンドル傾き角センサ４３と、補助脚４４ａ，４４ｂと、を備え、特に後述するハンドルシャフト３１と、ハンドル３２と、ステップ２４ａ，２４ｂと、を備え、立ち乗り型に構成されている。

第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄは、図３に示すように、平地に対する各車輪の接地点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が同一直線Ｌ上に順に並んだ配置で装置フレーム２０に支持される。第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄは、それぞれの上側半分を安全カバー１５ａ〜１５ｄにより保護されている。安全カバー１５ａ〜１５ｄは、後述するステップ２４ａ，２４ｂに取り外し可能に固定されている。

第１の車輪１０ａと第２の車輪１０ｂ並びに第３の車輪１０ｃと第４の車輪１０ｄは、平面視において一端側（進行方向前側）が近接し他端側（進行方向後側）が開いていると共に、第２の車輪１０ｂと第３の車輪１０ｃは、平面視において一端側（進行方向前側）が開いていると共に、他端側（進行方向後側）が近接している。権利限定するものではないが、この実施形態では、後述するハンドルシャフト３１が垂直なときに、図３に示すように、各車輪間を平面視した開き角が６０°であり、かつ隣接の車輪同士の距離Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３が等しいものとする。

第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄは、図４に示すように、全方向に移動し得る全方向車輪が採用されている。全方向車輪は、例えば、特開２００２−１３７６０２号公報、特開２００３−１５４８０２号公報及び特開２００４−３４４２８９号公報等に開示されており、この実施形態でも、同等のものが使用されている。全方向車輪は、図４に示すように、車輪外周に沿って複数配設された各回転軸１１に回転自由な回転体１２を備えていることで車輪全体としての能動回転と接地している回転体１２の受動回転とで全方向に移動し得る機能を有している。各回転体１２は、先端部の直径が後端部の直径より小さくしたカップ状に形成されている。これにより、車輪自体が車軸方向側（即ち、図示のＸ側）に移動しようとするとき、地面等に接地している回転体１２はその回転軸１１の周りに回転することにより、地面等を転動して、車輪自体が方向転換することなく、車輪は横方向への移動を円滑に行うことができる。
第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄは、同じ寸法、同じ形状に構成され、各回転の中心が同じ高さになるように、装置フレーム２０に取り付けられている。平地に走行装置１が置かれた状態で各車輪１０ａ〜１０ｄは地面に接触する。

第１〜第４の駆動モータ１３ａ〜１３ｄは、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄのそれぞれホイールに組み込まれるホイールインモータであり、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄのそれぞれを走行駆動する。ホイールインモータは従来から各種の構造のものが知られており、本実施形態では様々のタイプのものを適用可能であるが、特にステータ(stator)とそのまわりを回転するロータ(rotor)を備えた装置を使用するのが望ましい。具体的には、ステータを装置フレーム２０に固定し、このステータのまわりを回転するロータに第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄを同軸状に取り付ける。このような構成によって、各車輪はロータと共に回転する。

装置フレーム２０は、メインフレーム２１と、左側のサブフレーム２２ａと、右側のサブフレーム２２ｂと、左側のブラケット２３ａと、右側のブラケット２３ｂと、右側の扇形のステップ２４ａと、左側の扇形のステップ２４ｂと、中央の機器設置用ブラケット２４ｃと、を有してなる。メインフレーム２１、左右のサブフレーム２２ａ ，２２ｂ及び左右のブラケット２３ａ，２３ｂは剛体フレームである。左側のブラケット２３ａは左側のサブフレーム２２ａのフレーム軸線に関して回動可能に取り付けられ、また右側のブラケット２３ｂは右側のサブフレーム２２ｂのフレーム軸線に関して回動可能に取り付けられている。これによって、第１の車輪１０ａと第２の車輪１０ｂが、第３の車輪１０ｃと第４の車輪１０ｄと独立して２点接地になると共に、第３の車輪１０ｃと第４の車輪１０ｄが、第１の車輪１０ａと第２の車輪１０ｂと独立して２点接地になるので、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄは、路面の凹凸に追従して常に４輪走行になり、確実な走行が期待できる。

メインフレーム２１は、走行方向前側において、一端が第１の車輪１０ａの前側付近に対応し他端が第４の車輪１０ｄの前側付近に対応するように水平に伸びている。

サブフレーム２２ａは、メインフレーム２１に先端を固定され第１の車輪１０ａと第２の車輪１０ｂとの間を車軸とほぼ等しい高さで後方へ水平に伸びている。サブフレーム２２ｂは、メインフレーム２１に先端を固定され第３の車輪１０ｃと第４の車輪１０ｄとの間を後方に伸びている。

左側のブラケット２３ａと右側のブラケット２３ｂは、それぞれに対応するサブフレーム２２ａ又は２２ｂに固定され、第１の車輪１０ａ及び第２の車輪１０ｂ又は第３の車輪１０ｃ及び第４の車輪１０ｄを回転可能に支持している。各車輪に対応して備える第１〜第４の駆動モータ１３ａ〜１３ｄは、この実施形態では、上述したタイプのホイールインモータを採用していて、ブラケット２３ａ，２３ｂは、モータ本体を支持するように構成される。

ステップ２４ａ，２４ｂは、第１の車輪と第２の車輪との三角スペース及び第３の車輪と第４の車輪との三角スペースに後方へ延びているサブフレーム１２ａ，１２ｂに受承固定され、ステップ２４ａ，２４ｂの下側で電動式パワーシリンダ構造の補助脚４４ａ，４４ｂがサブフレーム１２ａ，１２ｂに固定されている。補助脚４４ａ，４４ｂは、詳細な構成を図示していないが、倒立振子制御が行われる前はシリンダ内に備えるばねによりピストンが下方へ伸張していて、かつロック手段がピストンの移動をロックしており、倒立振子制御が行われると、ロック手段がロック解除してピストンが縮小動作するようになっている。これにより、ステップ２４ａ，２４ｂに立ち乗り可能となっている。なお、倒立振子制御を終了するときに、ピストンが下方へ伸張し、次いでロック手段がピストンの移動をロックする。

機器設置用ブラケット２４ｃは、第２の車輪１０ｂと第３の車輪１０ｃとの間の三角エリアに備えられメインフレーム２１に支持されている。図３に示すように、機器設置用ブラケット２４ｃ上には、コントローラ４０と、第１〜第４の駆動モータ１３ａ〜１３ｄの駆動信号を生成するモータドライバ１４ａ〜１４ｄ、バッテリ４５が設置されている。

装置フレーム２０は、第１の車輪１０ａと第２の車輪１０ｂとの車軸方向及び第３の車輪１０ｃと第４の車輪１０ｄとの車軸方向がそれぞれ６０°相違する状態に、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄの各車軸を軸支し倒立振子運動を行い得るように備えられている。

装置フレーム２０と、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄとの取付関係は、ハンドルシャフト３１が垂直に立っているときに、平面視した各車輪間の開き角が６０°であり、かつ前述したように隣接の車輪同士の接地距離Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３が等しくなるように設定されているので、倒立振子走行時にハンドルシャフト３１が垂直状態から前傾状態になるときには、距離Ｓ１＝距離Ｓ３＞距離Ｓ２の関係になってハンドルシャフト３１の倒れ角の変動に応じて接地距離Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を変動する。しかし、接地距離Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を変動しても、絶えず第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄの接地点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が同一直線Ｌ上に順に並んだ配置に保たれる。

ハンドルシャフト３１は、例えばステンレス鋼管からなり、メインフレーム２１の上面中央から垂直に立ち上がった状態に固設されている。倒れ角速度センサ４１は、コントローラ４０の若干上方に位置してハンドルシャフト３１に固定して備えられ、ハンドルシャフト３１の傾き角速度を検出する。倒れ角速度センサ４１には、ジャイロセンサが用いられる。

図６（ａ），（ｂ）に示すように、ハンドル３２は、ハンドルシャフト３１の上端に、下側のメインフレーム２１と平行に伸びて、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄの配列方向垂直面に沿ってＴ字状となるように備えられ、両端にグリップ３３，３３を有している。

ハンドル３２は、ハンドルシャフト３１の上端を水平に貫通しかつ軸方向に移動不能に弾持されている。ハンドルシャフト３１とハンドル３２との交差部、詳しくは、ハンドルシャフト３１内のハンドル３２が貫通する部分には、ハンドル３２の水平回動及び垂直回動を取り出すためのメカニカル機構３４を備えている。

このメカニカル機構３４は、ハンドルシャフト３１の、ハンドル３２が貫通する両側部分に、外方に張出している円筒部３４ａ，３４ａを備え、各円筒部３４ａでゴムリング３４ｂを保持している。ハンドル３２は、ハンドルシャフト３１に水平に貫通されゴムリング３４ｂ，３４ｂにより水平状態に両端支持されている。

従って、ハンドル３２は、右側又は左側のグリップ３３を手前に引くことにより、図１中の矢印Ｍで示すように、水平面内に一定角度内で右回動又は左回動自在であり、グリップ３３に掛ける力を解除すると、ゴムリング３４ｂ，３４ｂの弾性復帰力により平面視において正面方向に対して直角方向に復帰自在である。さらに、ハンドル３２は、右側又は左側のグリップ３３を押し下げることにより、図１中の矢印Ｎで示すように、水平状態から右側又は左側に傾き自在であり、グリップ３３に掛ける力を解除すると、ゴムリング３４ｂ，３４ｂの弾性復帰力により水平状態に復帰自在である。

さらに、このメカニカル機構３４は、ハンドルシャフト３１の空間内においてハンドル３２を取り巻く短管３４ｃと、短管３４ｃの上側と下側においてそれぞれハンドルシャフト３１の内面に固定された上側固定板３４ｄ及び下側固定板３４ｅと、短管３４ｃの上面中央に下端を固定され上端を上側固定板３４ｄの中央の孔に回転可能に通されている上側ピボット軸３４ｆと、短管３４ｃの下面中央に上端を固定され下端を下側固定板３４ｅの中央の孔に回転可能に支持されている下側ピボット軸３４ｇと、ハンドル３２の長さ中央に固定され一方の側面より水平に突出して短管３４ｃに開けられた孔に回転可能に通されている水平回転軸３４ｈと、を有している。

そして、ハンドル回転角センサ４２が、上側ピボット軸３４ｆの回転が入力となるように上側固定板に備えられ、またハンドル傾き角センサ４３が、水平回転軸３４ｈの回転が入力となるように短管３４ｃの外面に備えられている。

従って、ハンドル３２を右回動又は左回動すると、この回動が水平回転軸３４ｈを介して短管３４ｃと上側ピボット軸３４ｆに伝わり、ハンドル回転角センサ４２に入力するので、ハンドル回転角センサ４２が、ハンドルシャフト３１のシャフト中心線を回転軸線とするハンドル３２の回動角度を検出する。

またハンドル３２を右側又は左側に傾けると、この傾き角が水平回転軸３４ｈに伝わりさらにハンドル傾き角センサ４３に入力するので、ハンドル傾き角センサ４３が、ハンドルシャフト３１のシャフト中心線に対する垂直線（水平回転軸３４ｈの軸線）に関して、ハンドル３２の左方向又は右方向への傾き角度を検出する。

この実施形態の倒立振子制御型四輪走行装置１は、ハンドルシャフト３１を垂直に保持したときに、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄを除く構成部分の重心が、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄの接地点を結ぶ直線を通る円直面よりも例えば数ｃｍ後方に位置するように設定されているものとする。従って、この実施形態の倒立振子制御型四輪走行装置１は、ハンドルシャフト３１を垂直に保持した状態から手を離すと、重力作用でハンドルシャフト３１が後方へ倒れるようになっており、そこで、補助脚４４ａ，４４ｂのピストンをシリンダ内に備えるばねの弾発力下方へ伸張させかつロック手段でピストンの移動をロックさせた構成としていることで、ハンドルシャフト３１を垂直に保持し、左右のステップ２４ａ，２４ｂを略水平に保ち、運転者がステップ２４ａ，２４ｂに乗って立てるようになっている。

コントローラ４０の機能について図５を参照して説明する。
（１）運転者がステップ２４ａ，２４ｂに乗って図示しない起動スイッチをオンすると、バッテリ４５から給電されるコントローラ４０は、装置フレーム２０の倒れ角を検出する倒れ角速度センサ４１の信号を入力して倒立振子型の制御モデルに基づいてモータドライバ１４ａ〜１４ｄを介して第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄのホイール内に組み込まれた駆動モータ１３ａ〜１３ｄに対し倒立振子型制御を行う。
（２）コントローラ４０は、倒立振子制御を開始すると同時に、補助脚４４ａ，４４ｂのロック手段をロック解除し、ばねの付勢に抗してピストンを縮小動作させる。
（３）制御開始時においては、コントローラ４０は、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄを前進も後進もしない状態に倒立振子型制御を行う。
（４）運転者が体重移動により、ハンドルシャフト３１をニュートラル角度（停止角度）よりも前方に倒せば、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄは前進走行し、またハンドルシャフト３１をニュートラル角度よりも手前に引けば（後方に倒せば）、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄは後進走行する。
（５）ハンドルシャフト３１がニュートラル角度になった後は、運転者がハンドル３２を右回動又は左回動すれば、この回動に応じた信号をハンドル回転角センサ４２がコントローラ４０に入力し、コントローラ４０は、右回転又は左回転するように第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄを回転制御する。
（６）またハンドルシャフト３１がニュートラル角度になった後は、運転者がハンドル３２を右側又は左側に傾ければ、この傾き角に応じた信号をハンドル傾き角センサ４３がコントローラ４０に入力し、コントローラ４０は、左方向又は右方向へ前進するように第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄを回転制御する。

続いて、全方向車輪を用いた第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄにより、前進、後進、右回転、左回転、方向変換しない右進、方向変換しない左進、斜め右進及び斜め左進を行うことについて図７〜図１１を参照して詳述する。

〔前進走行〕
図７（ａ）に示すように、運転者Ｐが乗ってスイッチオンすると、コントローラ４０が倒立振子制御を行い、車輪を含まない装置重量と運転者の体重との合成の重心位置が４つの車輪の接地線を通る垂直面にあるように倒立振子制御のアルゴリズムによって決定する。この場合、運転者がステップ２４ａ，２４ｂに乗ったことにより、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄを除く装置構成部分と運転者の体重の合計の重心位置が後方へずれる場合には、コントローラ４０は、演算によってこの重心の位置が、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄの接地点を結ぶ直線を通る円直面上に来るように倒立振子型制御を行う。従って、コントローラ４０は、ハンドルシャフト３１を垂直状態よりも所要前側に傾けた状態を停止状態として記憶する。
そして、図７（ｂ）に示すように、運転者Ｐが体重移動により、ハンドルシャフト３１をニュートラル角度（停止角度）よりも前方に倒せば、このときの傾き角α１及び傾き角α１になる変化率、すなわち傾き角速度を倒れ角速度センサ４１が検出してセンサ信号がコントローラ４０に入力する。コントローラ４０は、倒立振子制御を加味した所要の演算を行って第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄを前進させる制御信号をサーボモータに出力し、それによってサーボモータが出力するモータ駆動信号で駆動モータ１３ａ〜１３ｄが所要速度で回転する。
図７（ｃ）に示すように、コントローラ４０は、ハンドルシャフト３１の傾き角α１及び傾き角速度に応じて、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄの、各接地位置の回転体１２の回転速度Ｈ1xy，Ｈ2xy，Ｈ3xy，Ｈ4xyを加味し、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄの前進方向のｙ成分速度Ｈ1y，Ｈ2y，Ｈ3y，Ｈ4yが等しくなるように、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄの前進回転速度Ｈ1，Ｈ2，Ｈ3，Ｈ4を決定し制御信号を出力する。従って、倒立振子制御型四輪走行装置１は、前進方向のｙ成分速度Ｈ1y（＝Ｈ2y，Ｈ3y，Ｈ4y）で前進走行する。

〔後進走行〕
倒立振子制御型四輪走行装置１が図７（ｂ）に示す前進状態から、図８（ａ）に示すように、運転者Ｐが体重移動によりハンドル３２を後方に引いて、ハンドルシャフト３１が、ニュートラル角度よりも小さい角度になるときは、コントローラ４０は、前進信号の出力中における倒れ角速度センサ４１からの入力が後進であることを判断して、駆動モータ１３ａ〜１３ｄに備えているブレーキをかける。
また倒立振子制御型四輪走行装置１が図７（ａ）に示す停止状態から、図８（ａ）に示すように、運転者Ｐが体重移動によりハンドル３２を後方に引いて、ハンドルシャフト３１が、ニュートラル角度よりも小さい角度になるときは、コントローラ４０は、後進信号を出力する。すなわち、コントローラ４０は、倒れ角速度センサ４１が検出したマイナス方向の倒れ角および倒れ角速度を入力すると、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄの全てが後進回転となるようにかつ倒れ角速度に対応した等しい回転数となるように制御する。
図８（ｂ）に示すように、コントローラ４０は、ハンドルシャフト３１の傾き角−α１及び傾き角速度に応じて、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄの、各接地位置の回転体１２の回転速度Ｈ5xy，Ｈ6xy，Ｈ7xy，Ｈ8xyを加味し、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄの後進方向のｙ成分速度Ｈ5y，Ｈ6y，Ｈ7y，Ｈ8yが等しくなるように、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄの後進回転速度Ｈ5，Ｈ6，Ｈ7，Ｈ8を決定し制御信号を出力する。従って、倒立振子制御型四輪走行装置１は、後進方向のｙ成分速度Ｈ5y（＝Ｈ6y，Ｈ7y，Ｈ8y）で後進走行する。

〔右回転〕
倒立振子制御型四輪走行装置１が図７（ａ）に示す停止状態から、図９（ａ）に示すように、運転者Ｐがハンドル３２を右回転させると、この右回転をハンドル回転角センサ４２が検出してセンサ信号がコントローラ４０に入力する。コントローラ４０は、図９（ｂ）に示すように平面視において、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄの接地点を結ぶ直線Ｌと、ハンドルシャフト３１の中心を通り前記の接地点を結ぶ直線Ｌに垂直に交差する垂線と、の交点Ｒoを回転中心として、倒立振子制御型四輪走行装置１が右回転するように制御信号を出力する。コントローラ４０は、第１の車輪１０ａと第４の車輪１０ｄがサークルＲad上を接線速度Ｈ9y，Ｈ12y（＝Ｈ9y）で旋回し、かつ第２の車輪１０ｂと第３の車輪１０ｃがサークルＲcd上を接線速度Ｈ10y，Ｈ11y（＝Ｈ10y）で旋回するように、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄの、各接地位置の回転体１２の回転速度Ｈ9xy，Ｈ10xy，Ｈ11xy，Ｈ12xyを加味し、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄの実回転速度Ｈ9，Ｈ10，Ｈ11，Ｈ12を算出する演算を行い、駆動制御信号を出力する。
左回転については、右回転と対称に異なる動作になるので説明を省略する。

〔方向変換しない右進〕
倒立振子制御型四輪走行装置１が図７（ａ）に示す停止状態から、図１０（ａ）に示すように、運転者Ｐがハンドル３２を右に傾かせると、この傾き角をハンドル傾き角センサ４３が検出してセンサ信号がコントローラ４０に入力する。コントローラ４０は、図１０（ｂ）に示すように、第１の車輪１０ａを実回転速度Ｈ13で前進回転、第２の車輪１０ｂを実回転速度Ｈ14(=|Ｈ13|)で後進回転、第３の車輪１０ｃを実回転速度Ｈ15(=Ｈ13)で前進回転、第４の車輪１０ｄを実回転速度Ｈ16(=|Ｈ13|)で後進回転させるように制御する。このとき、|Ｈ13|=|Ｈ14|=|Ｈ15|=|Ｈ16|である。すると、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄの実回転に伴い、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄを構成している回転体１２がそれぞれＨ13xy，Ｈ14xy，Ｈ15xy，Ｈ16xyで回転する。このとき、|Ｈ13xy|=|Ｈ14xy|=|Ｈ15xy|=|Ｈ16xy|である。従って、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄは、合成回転速度Ｈ13g，Ｈ14g，Ｈ15g，Ｈ16gで回転する。このとき、Ｈ13g=Ｈ14g=Ｈ15g=Ｈgである。すなわち、倒立振子制御型四輪走行装置１は、方向変換しないでＨ13gの速度で右進する。
方向変換しない左進については、方向変換しないで右進と左右対称に異なる動作になるので説明を省略する。

〔方向変換しない斜め方向の右進〕
倒立振子制御型四輪走行装置１が図７（ａ）に示す停止状態から、図１１（ａ）に示すように、運転者がハンドル３２を右に回しながら右下がりに傾かせると、このときの回転角と傾き角をハンドル回転角センサ４２とハンドル傾き角センサ４３がそれぞれに検出して両センサ信号がコントローラ４０に入力する。コントローラ４０は、両センサ４２，４３からの信号入力に基づいて、図１１（ｂ）に示すように、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄをそれぞれ実回転速度Ｈ17，Ｈ18，Ｈ19，Ｈ20で前進回転させるように制御する。このとき、｜Ｈ18｜＝｜Ｈ20｜，｜Ｈ19｜＝｜Ｈ17｜とする。さらに、第２及び第４の車輪１０ｂ，１０ｄの接地位置の回転体１２の回転速度Ｈ18xy，Ｈ20xyと、の合成回転速度Ｈ18ｇ，Ｈ20ｇが、第１及び第３の車輪１０ａ，１０ｃの実回転速度Ｈ17，Ｈ19に等しくなるように設定される。それによって、倒立振子制御型四輪走行装置１は、前方向に対して３０°右に向いて右進する。
方向変換しない斜め方向に右進左進については、方向変換しないで斜め方向に右進と左右対称に異なる動作になるので説明を省略する。

上記の動作の説明において、回転速度の大きさは、ハンドルシャフト３１の倒れ角及び倒れ角速度、ハンドル３２の回転角、傾き角に応じた大きさがコントローラ４０から出力される。

〔第２の実施形態〕
図１２に示すように、この実施形態の倒立振子制御型四輪走行装置１Ａは、第１〜第４の車輪１０ａ〜１０ｄと、座席２０２を有する装置フレーム２０Ａと、各車輪のフレーム内に設けられた駆動モータ（図中に符号なし）と、コントローラ４０Ａと、座席２０２の下面に備えられた倒れ角速度センサ４１と、座席２０２の下面に備えられた補助脚４４ｃ，４４ｄと、操縦レバー４６と、を備えて構成されている。
装置フレーム２０Ａは、第１の車輪１０ａと第２の車輪１０ｂの間に立ち上がる基台フレーム２０１ａ，２０１ｂと、座席２０２と、ステップ２０３とを有してなる。図示しないが、基台フレーム２０１ａ，２０１ｂに、第１の実施形態において示した左側のブラケット２３ａと、右側のブラケット２３ｂとが設けられる。この実施形態では、補助脚４４ｃ，４４ｄが前後配置に設けられることで、非運転時における座席２０２の水平を保持する。
この実施形態では、第１の実施形態のハンドルシャフト３１と、ハンドル３２とを備えていない。またハンドル回転角センサ４２と、ハンドル傾き角センサ４３を備えておらず、この２つのセンサの機能を操縦レバー４６の入力操作で処理している。コントローラ４０Ａは、上述した第１の実施形態のコントローラ４０が行う前進、後進、右回転、左回転、方向変換しない右進・左進や斜め右進・左進の各動作を操縦レバー４６の入力操作に基づいて行う。

第２の実施形態は、１人乗り座席を有する倒立振子制御型四輪走行装置を示したが、第２の車輪１０ｂと第３の車輪１０ｃとの間隔を大きくして、２人乗り座席を有する倒立振子制御型四輪走行装置として構成することができる。

以上詳述したが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施することができる。
本発明の走行装置は、産業、学術、家庭用の器具、装置、機械、玩具が移動するための手段として適用可能である。例えば、移動型ロボットの脚として上記走行装置を適用できる。また人が移動するための手段や物を搬送するための運搬具或いは、農作業用の移動する機械の移動手段として、また遊園地やテーマパークなどのレジャー施設における遊具の移動機構としても利用可能である。さらに、本発明は、老人や体の不自由な障害者などが利用する介助・福祉用の機械・器具にも利用できる。

１，１Ａ 倒立振子制御型四輪走行装置
１０ａ 第１の車輪
１０ｂ 第２の車輪
１０ｃ 第３の車輪
１０ｄ 第４の車輪
１１ 回転軸
１２ 回転体
１３ａ 第１の駆動モータ
１３ｂ 第２の駆動モータ
１３ｃ 第３の駆動モータ
１３ｄ 第４の駆動モータ
１４ａ〜１４ｄ モータドライバ
２０，２０Ａ 装置フレーム
２４ａ，２４ｂ ステップ
２０１ａ，２０１ｂ 基台フレーム
２０２ 座席
２０３ ステップ
３１ ハンドルシャフト
３２ ハンドル
３４ メカニカル機構
４０，４０Ａ コントローラ
４１ 倒れ角速度センサ
４２ ハンドル回転角センサ
４３ ハンドル傾き角センサ
４４ａ〜４４ｄ 補助脚
４５ バッテリ
４６ 操縦レバー

Claims (9)

1. 車輪外周に沿って複数配設された各回転軸に回転自由な回転体を備え全方向移動し得る全方向車輪で構成された第１〜第４の車輪を有し、該第１〜第４の車輪が、各車輪の接地点を同一直線上に順に並んだ配置で装置フレームに支持されると共に、該装置フレームが上記第１〜第４の車輪の車軸線を回転中心として揺動する倒立振子型に設けられ、さらに第１の車輪と第２の車輪並びに第３の車輪と第４の車輪が、平面視において一端側が近接し他端側が開いていると共に、第２の車輪と第３の車輪が、平面視において他端側が近接し一端側が開いており、上記第１〜第４の車輪のそれぞれを走行駆動する駆動モータを備え、上記装置フレームの倒れ角を検出する倒れ角センサの信号を入力して倒立振子型の制御モデルに基づいて上記駆動モータを制御するコントローラを備えたことを特徴とする、倒立振子制御型四輪走行装置。
2. 前記装置フレームが、前記第１の車輪と前記第２の車輪との三角スペース、並びに前記第３の車輪と前記第４の車輪との三角スペースに足を載せるステップを備えた立ち乗り型に形成された構成である、請求項１に記載の倒立振子制御型四輪走行装置。
3. 前記装置フレームより立設され、該装置フレームの前記第１〜第４の車輪に対する回転中心の周りに揺動するハンドルシャフトを備え、
   前記倒れ角センサが、上記ハンドルシャフトの傾き角度を検出するように備えられ、
   前記コントローラが、上記第１〜第４の車輪に対応する駆動モータに対し前記倒立振子型制御を行う構成である、請求項１又は２に記載の倒立振子制御型四輪走行装置。
4. 前記ハンドルシャフトの上端に前記第１〜第４の車輪の配列方向垂直面に沿ってＴ字状となるようにハンドルを備え、
   該ハンドルが、水平状態から右方向及び左方向に傾き自在でありかつ弾性手段により水平状態に復帰自在であり、さらに、水平面内に一定角度内で右回動及び左回動でありかつ弾性手段により水平状態に復帰自在であり、
   上記ハンドルシャフトと上記ハンドルとの交差部に、上記ハンドルの回動角度を検出するハンドル回転角センサと、上記ハンドルの傾き角度を検出するハンドル傾き角センサと、を備えていて、
   前記コントローラが、上記倒立振子型制御を行うことに加え、上記ハンドル回転角センサの信号を入力したときはその信号に応じ、前記第１〜第４の車輪の合成出力が右回転又は左回転となるように前記第１〜第４の車輪に対応する駆動モータに対し駆動信号を出力し、また上記ハンドル傾き角センサの信号を入力したときはその信号に応じ、前記第１〜第４の車輪の合成出力が方向変換しないで右進又は方向変換しないで左進となるように前記第１〜第４の車輪に対応する駆動モータに対し駆動信号を出力するように構成された、請求項３に記載の倒立振子制御型四輪走行装置。
5. 前記第１〜第４の車輪の上に座席を有し、該座席が懸架装置を介して下側の前記装置フレームに支持された構成である、請求項１に記載の倒立振子制御型四輪走行装置。
6. 接地面近傍に下降して位置し倒立振子型制御を行う際には設置面近傍から上昇して位置する可動ステップを備えた構成である、請求項５に記載の倒立振子制御型四輪走行装置。
7. 前記倒れ角センサが、前記座席の水平面に対する傾斜角度を検出するように備えられ、
   前記コントローラが、上記倒れ角センサの信号を入力して上記第１〜第４の車輪に対応する駆動モータに対し上記倒立振子型制御を行う構成である、請求項５又は６に記載の倒立振子制御型四輪走行装置。
   
8. 前記座席に座った操作者が操作できる位置に、右回転又は左回転の指示並びに右方向又は左方向に変換しつつ前進することの４通りのいずれかを指示するハンドルを備え、
   上記ハンドルが指示する右回転又は左回転を検出するハンドル回転角センサと、上記ハンドルが指示する右方向又は左方向に変換しつつ前進する指示を検出するハンドル傾き角センサと、を備えていて、
   前記コントローラが、上記倒立振子型制御を行うことに加え、上記ハンドル回転角センサの信号を入力したときはその信号に応じ、前記第１〜第４の車輪の合成出力が右回転又は左回転となるように前記第１〜第４の車輪に対応する駆動モータに対し駆動信号を出力し、また上記ハンドル傾き角センサの信号を入力したときはその信号に応じ、前記第１〜第４の車輪の合成出力が方向変換しないで右進又は方向変換しないで左進となるように前記第１〜第４の車輪に対応する駆動モータに対し駆動信号を出力するように構成された、請求項７に記載の倒立振子制御型四輪走行装置。
9. 前記駆動モータは、第１〜第４の車輪のそれぞれに組み込まれるホイールインモータである、請求項１乃至８のいずれかに記載の倒立振子制御型四輪走行装置。

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