JP6172091B2 - 倒立二輪型移動体及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、倒立二輪型移動体及びその制御方法に関するものである。

例えば特許文献１には、姿勢センサから検出した自己の姿勢情報に基づいて、倒立制御を行い、自己の姿勢を維持しながら車輪をモータ駆動する倒立二輪型移動体が開示されている。このような倒立二輪型移動体は、搭乗者の重心移動により車体を傾斜させることなどにより、操作される。そのため、単なる移動手段ではなく、搭乗者の身体機能やバランス機能を向上あるいは回復させるための訓練に用いることもできる。

特許文献１に開示された倒立二輪型移動体は、通常モードに加え、訓練モードを備えている。ここで、特許文献１では、訓練の効果を向上させるために、訓練モードにおいて倒立制御の制御ゲインを低下させ、通常モード時よりも倒立二輪型移動体を動き易くしている。

特開２０１１−０３１６６９号公報

倒立二輪型移動体が動き易くなると、車輪を駆動するモータの出力は大きくなる。当然のことながら、モータ出力には限界がある。仮に、倒立状態を維持する（すなわち転倒を防止する）ために要求されるモータ出力が、出力限界を超えてしまうと、倒立状態を維持できない虞がある。なお、特許文献１に記載されたような従来の倒立二輪型移動体では、倒立状態をできる限り維持するために、モータの出力限界に対して充分にマージンを取った上で、倒立制御を行っていた。

本発明は、上記を鑑みなされたものであって、倒立状態を維持するために要求されるモータ出力が、出力限界を超えないように制御可能な倒立二輪型移動体を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る倒立二輪型移動体は、
倒立制御により倒立状態を維持しつつ、車輪をモータによって駆動する倒立二輪型移動体であって、
前記モータの駆動を制御するとともに、当該倒立二輪型移動体の稼動範囲を制御する制御部と、
前記モータの駆動状態を検出するセンサと、を備え、
前記制御部は、
前記駆動状態に基づいて、前記モータに要求される出力を推定し、
推定した前記出力が前記モータの出力限界を超えた場合、前記稼動範囲を縮小するものである。

本発明の一態様に係る倒立二輪型移動体は、モータの駆動状態に基づいて、前記モータに要求される出力を推定し、推定した前記出力が前記モータの出力限界を超えている場合、稼動範囲を縮小する。稼動範囲を縮小すると、加速度が小さくなるとともに加速距離及び加速時間も短くなるため、モータ出力は低下する。その結果、モータ出力が出力限界を超えることを回避でき、転倒を確実に防止することができる。

前記制御部は、推定した前記出力が予め定められた下限基準値を下回った場合、前記稼動範囲を拡大することが好ましい。モータ出力を出力限界に近付けて倒立二輪型移動体の有している性能を有効に利用することができる。
また、前記モータに電圧を供給するバッテリと、前記出力限界が格納される記憶部と、をさらに備え、前記バッテリから供給される電圧の変化に応じて、前記出力限界が更新されることが好ましい。バッテリの電圧が低下し、出力限界が低下した場合であっても、転倒を確実に防止することができる。
さらに、前記出力が、前記モータの回転情報とトルク情報とから規定され、前記出力限界が、前記モータの回転情報とトルク情報とから規定されていることが好ましい。
また、前記制御部は、前記稼動範囲内であるか否かを、カメラから取得した画像もしくは前記モータの回転情報に基づいて判定することが好ましい。

本発明の一態様に係る倒立二輪型移動体の制御方法は、
倒立制御により倒立状態を維持しつつ車輪をモータによって駆動する倒立二輪型移動体の制御方法であって、
前記モータの駆動状態を検出するステップと、
検出した前記駆動状態に基づいて、前記モータに要求される出力を推定するステップと、を備え、
推定した前記出力が前記モータの出力限界を超えた場合、当該倒立二輪型移動体の稼動範囲を縮小するものである。

本発明の一態様に係る倒立二輪型移動体の制御方法では、モータの駆動状態に基づいて、前記モータに要求される出力を推定し、推定した前記出力が前記モータの出力限界を超えている場合、倒立二輪型移動体の稼動範囲を縮小する。稼動範囲を縮小すると、加速度が小さくなるとともに加速距離及び加速時間も短くなるため、モータ出力は低下する。その結果、モータ出力が出力限界を超えることを回避でき、転倒を確実に防止することができる。

推定した前記出力が予め定められた下限基準値を下回った場合、前記稼動範囲を拡大することが好ましい。モータ出力を出力限界に近付けて倒立二輪型移動体の有している性能を有効に利用することができる。

本発明によれば、倒立状態を維持するために要求されるモータ出力が、出力限界を超えないように制御可能な倒立二輪型移動体を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る倒立二輪型移動体の概略的な構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る倒立二輪型移動体の概略的なシステム構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る制御部の概略的なシステム構成を示すブロック図である。 モータの出力限界を示すマップ情報の一例を示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態に係る倒立二輪型移動体１０の制御方法のフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る制御部の概略的なシステム構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係るマップ情報の一例を示すグラフである。 本発明の第３の実施の形態に係る倒立二輪型移動体の制御方法のフローチャートである。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る倒立二輪型移動体の概略的な構成を示す斜視図である。本実施の形態に係る倒立二輪型移動体１０は、倒立制御により倒立状態を維持しつつ、搭乗者の重心移動に応じて、前後進、左右旋回、加減速などの走行を行うことができる同軸二輪車である。倒立二輪型移動体１０は、車両本体１と、車両本体１に回転可能に連結された左右一対の車輪２Ｒ、２Ｌと、車両本体１に操作可能に設けられた操作ハンドル４と、車両本体１に設けられ搭乗者が搭乗可能な左右一対のステップ部６Ｒ、６Ｌと、を備えている。

操作ハンドル４は、これを前後方向に傾けることによって、倒立二輪型移動体１０の前進又は後退操作が実行され、ロール方向（左右方向）へ傾けることによって、倒立二輪型移動体１０の旋回操作が実行される操作部である。

車両本体１は、操作ハンドル４をロール方向へ回転自在に支持する。また、一対の車輪２Ｒ、２Ｌは、車両本体１の走行方向と直交する方向の両側において同軸上に配置されると共に当該車両本体１に回転自在に支持されている。

車両本体１の上面には、操作ハンドル４の左右両側に一対のステップ部６Ｒ、６Ｌが設けられている。各ステップ部６Ｒ、６Ｌは、搭乗者が片足ずつ乗せて搭乗するステップである。

車両本体１は、互いに平行に上下に配置された車体上部材及び車体下部材と、互いに平行に左右に配置されると共に車体上部材及び車体下部材と回動可能に連結された一対の側面部材と、を有する平行リンク機構として構成されている。なお、上述した倒立二輪型移動体１０の構成は一例であり、これに限らず、例えば、操作ハンドル４を有しない構成でもよく、倒立状態を維持しつつ搭乗者の重心移動に応じて走行する任意の移動体に適用可能である。

図１に示すように、本実施の形態に係る倒立二輪型移動体１０は、カメラ２０によって取得した画像に基づいて、所定の稼動範囲内においてのみ稼動するように制御される。カメラ２０は、例えば天井や壁などに固定されている。また、図１において稼動範囲Ａ、Ｂ、Ｃとして例示するように、倒立二輪型移動体１０は、この稼動範囲を自由に拡大もしくは縮小することができる。例えば図１の稼動範囲Ｃのように稼動範囲が狭くなると、加速度が小さくなるとともに加速距離及び加速時間も短くなるため、モータ出力が抑制される。一方、例えば図１の稼動範囲Ａのように稼動範囲が広くなると、加速度が大きくなるとともに加速距離及び加速時間も長くなるため、モータ出力が増大する。

図２は、本発明の第１の実施の形態に係る倒立二輪型移動体の概略的なシステム構成の一例を示すブロック図である。本実施の形態１に係る倒立二輪型移動体１０は、左右一対の車輪駆動ユニット３Ｒ、３Ｌと、制御部５と、左右一対のステップセンサ７Ｒ、７Ｌと、角度検出センサ８と、バッテリ９と、左右一対の駆動回路１１Ｒ、１１Ｌと、姿勢センサユニット１２と、左右一対の回転センサ１３Ｒ、１３Ｌと、カメラ２０と、を備えている。

各ステップセンサ７Ｒ、７Ｌは、例えば、各ステップ部６Ｒ、６Ｌにそれぞれ設けられ、重量センサにより構成されている。各ステップセンサ７Ｒ、７Ｌは、各重量センサを用いて各ステップ部６Ｒ、６Ｌのそれぞれに搭乗者の足が乗っているか否かを検出し、足が乗っている場合に足検知信号を制御部５に対してそれぞれ供給する。

車両本体１の各側面部材には、車輪駆動ユニット３Ｒ、３Ｌがそれぞれ取り付けられている。各車輪駆動ユニット３Ｒ、３Ｌは、各車輪２Ｒ、２Ｌを独立して回転駆動することができる。各車輪駆動ユニット３Ｒ、３Ｌは、例えば、車輪駆動モータ３１Ｒ、３１Ｌと、その各車輪駆動モータ３１Ｒ、３１Ｌの回転軸に動力伝達可能に連結された減速ギア３２Ｒ、３２Ｌと、によってそれぞれ構成することができる。各車輪駆動モータ３１Ｒ、３１Ｌは、倒立二輪型移動体１０が減速状態（制動状態）のとき回生電力を生成し出力する。各車輪駆動モータ３１Ｒ、３１Ｌにより出力された回生電力は、各車輪駆動ユニット３Ｒ、３Ｌや制御部５に設けられた内部抵抗などにより消費される。

車両本体１には、操作ハンドル４の操作量（回動量）を検出するための角度検出センサ８が取り付けられている。角度検出センサ８としては、例えば、ポテンショメータやバリコン構造のセンサ等を適用することができる。

操作ハンドル４の基部には、各車輪駆動ユニット３Ｒ、３Ｌ、制御部５、その他の電子機器、電気装置等に対して電力を供給するバッテリ９が設けられている。バッテリ９としては、例えばリチウムイオンバッテリが用いられる。

車両本体１の車体上部材には、一対の車輪駆動ユニット３Ｒ、３Ｌ等を駆動する一対の駆動回路１１Ｒ、１１Ｌが内蔵されている。また、車両本体１の車体下部材には、車両本体１や操作ハンドル４等の姿勢を検出してそれらの検出信号を出力する姿勢センサユニット１２と、一対の車輪駆動ユニット３Ｒ、３Ｌ等を駆動制御するためのトルク指令信号（トルク情報の一具体例）を出力する制御部５と、が設けられている。

各車輪駆動ユニット３Ｒ、３Ｌには、各車輪駆動モータ３１Ｒ、３１Ｌの回転数、回転角速度、回転角加速度などの回転情報を検出する回転センサ１３Ｒ、１３Ｌがそれぞれ設けられている。各回転センサ１３Ｒ、１３Ｌは、上記回転情報を検出する手段の一具体例であって、検出した各車輪駆動モータ３１Ｒ、３１Ｌの回転情報を制御部５に対して出力する。

制御部５は、姿勢センサユニット１２からの検出信号、角度検出センサ８からの検出信号、各ステップセンサ７Ｒ、７Ｌから足検出信号、各回転センサ１３Ｒ、１３Ｌからの回転情報等に基づいて所定の演算処理を実行し、必要なトルク指令信号を各駆動回路１１Ｒ、１１Ｌを介して各車輪駆動ユニット３Ｒ、３Ｌに対して出力する。また、制御部５が、各車輪駆動ユニット３Ｒ、３Ｌを制御することで、倒立二輪型移動体１０は倒立状態を維持しつつ所望の走行を行う。

制御部５は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算回路５ａと、各種制御プログラムやデータなどが格納されたＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）などの記憶部５ｂと、を備えている。

制御部５には、バッテリ９と一対の駆動回路１１Ｒ、１１Ｌが接続されている。各駆動回路１１Ｒ、１１Ｌは、制御部５から出力されるトルク指令信号に応じた駆動電流を各車輪駆動ユニット３Ｒ、３Ｌに出力する。各駆動回路１１Ｒ、１１Ｌは、各車輪２Ｒ、２Ｌの回転速度や回転方向等を独立して制御するもので、これらに各車輪駆動ユニット３Ｒ、３Ｌが個別に接続されている。

姿勢センサユニット１２は、倒立二輪型移動体１０の走行時における車両本体１の傾斜角度、傾斜角速度、傾斜角加速度など傾斜情報を検出する。姿勢センサユニット１２は、例えば、ジャイロセンサ、加速度センサなどから構成されている。搭乗者が操作ハンドル４を前方または後方に傾けると、各ステップ部６Ｒ、６Ｌが同方向に傾くことになるが、この姿勢センサユニット１２は、かかる傾斜に対応した傾斜情報を検出する。

制御部５は、姿勢センサユニット１２によって検出された傾斜情報に応じて、操作ハンドル４の傾斜方向に倒立二輪型移動体１０が移動するように、車輪駆動ユニット３Ｒ、３Ｌを駆動制御する。このように搭乗者は、その重心移動により各ステップ部６Ｒ、６Ｌを傾斜させることで、倒立二輪型移動体１０を前進又は後進させることができる。

以上のような特徴から、倒立二輪型移動体１０は、単なる移動手段ではなく、搭乗者の身体機能やバランス機能を向上あるいは回復させるための訓練に用いることもできる。例えば、車両本体１を自動走行させ、その自動走行に応じて、搭乗者が重心移動するなどの訓練を行うことができる。本実施の形態に係る倒立二輪型移動体１０は、通常の走行を行う通常モードに加え、上述の自動走行に応じて搭乗者が重心移動を行う訓練モードと、を有している。

訓練モードでは、制御部５は、訓練プログラムを実行し、各車輪駆動ユニット３Ｌ、３Ｒを制御して、一定もしくはランダム周期で、車両本体１を前後左右に自動走行させる。このとき、搭乗者は、この制御部５による車両本体１の自動走行に応じて、車両本体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。

これにより、搭乗者は、ゲーム感覚で楽しみながら訓練を行うことができ、身体機能やバランス機能を効率的に向上させることができる。例えば、バランス機能に障害がある人は、足首、膝関節などの身体の各部を無理なく楽しく動作させて、その障害や衰えを改善することができる。

なお、訓練モードと通常モードとのモード切換は、例えば、操作ハンドル４に設けられたモードスイッチ（不図示）を操作することにより行われる。さらに、無線もしくは有線の遠隔操作によってモード切換を行うことができる構成であってもよい。これにより、搭乗者のみでなく訓練監督者などが、容易にモード切換を行うことができる。

図３は、本発明の第１の実施の形態に係る制御部５の概略的なシステム構成を示すブロック図である。図３に示すように、本実施の形態に係る制御部５は、図２に示した記憶部５ｂに加え、モータ出力推定部５１、倒立制御部５２、及び稼動範囲判定部５３を有している。なお、図３では、演算回路５ａは省略されている。

モータ出力推定部５１は、回転センサ１３Ｒから出力される回転情報と、倒立制御部５２により生成された車輪駆動ユニット３Ｒに対するトルク情報とに基づいて、車輪駆動モータ３１Ｒに要求されるモータ出力を推定する。同時に、モータ出力推定部５１は、回転センサ１３Ｌから出力される回転情報と、倒立制御部５２により生成された車輪駆動ユニット３Ｌに対するトルク情報とに基づいて、車輪駆動モータ３１Ｌに要求されるモータ出力を推定する。

さらに、モータ出力推定部５１は、推定した車輪駆動モータ３１Ｒ、３１Ｌのモータ出力と、記憶部５ｂに格納されたマップ情報とを比較する。ここで、モータ出力推定部５１は、マップ情報から車輪駆動モータ３１Ｒ、３１Ｌの出力限界を知ることができる。そして、モータ出力推定部５１は、車輪駆動モータ３１Ｒ、３１Ｌのそれぞれについて、推定したモータ出力と出力限界との比較結果に基づいて、範囲変更信号を稼動範囲判定部５３に出力する。

倒立制御部５２は、搭乗者の操作及び稼動範囲判定部５３が出力する判定信号に基づいて、倒立状態を維持しつつ稼動範囲内で所望の走行を行うため、車輪駆動ユニット３Ｒ、３Ｌに対するトルク情報を生成する。

稼動範囲判定部５３は、カメラ２０から取得した画像に基づいて倒立二輪型移動体１０が稼動範囲内にあるか否かを判定する画像処理部であって、判定結果（判定信号）を倒立制御部５２に出力する。ここで、稼動範囲判定部５３は、モータ出力推定部５１から出力された範囲変更信号に応じて、画像処理上の判定基準となる稼動範囲を変更する。稼動範囲が狭くなると（例えば図１の稼動範囲Ｃ）、加速度が小さくなるとともに加速距離及び加速時間も短くなるため、モータ出力が抑制される。一方、稼動範囲が広くなると（例えば図１の稼動範囲Ａ）、加速度が大きくなるとともに加速距離及び加速時間も長くなるため、モータ出力が増大する。なお、当然のことながら、搭乗者や訓練監督者の操作に応じて稼動範囲を変更することもできる。また、カメラ２０からの画像取得は無線通信でも有線通信でも構わない。

モータ出力推定部５１の動作についてより具体的に説明する。ここで、図４は、モータの出力限界を示すマップ情報の一例を示すグラフである。図４の横軸はモータの回転数、縦軸はモータのトルクを示している。すなわち、モータ出力は回転数とトルクとにより規定される。図４では、出力限界が太い実線で示されている。

図４に示すように、出力限界では回転数とトルクとは、反比例の関係にある。すなわち、回転数が高い場合には、トルクを低くする必要があり、トルクが高い場合には、回転数を低くする必要がある。他方、出力限界は、回転数が所定の上限値Ｎｍａｘを超えないように、トルクが所定の上限値Ｔｍａｘを超えないように設定されている。

出力限界はモータのみならずバッテリ残量すなわちバッテリ９の出力電圧によって変化するため、マップ情報はバッテリ９の出力電圧に応じて更新されることが好ましい。これにより、バッテリ９の電圧が低下し、出力限界が低下した場合であっても、転倒を確実に防止することができる。

モータ出力推定部５１は、回転センサ１３Ｒから出力される回転数と、車輪駆動ユニット３Ｒに対するトルク指令信号と、に基づいて、図４に示したマップ情報における座標（回転数、トルク）の時間経過に伴う軌跡を推定する。この軌跡が、車輪駆動モータ３１Ｒに要求されるモータ出力に該当する。そして、モータ出力推定部５１は、推定した軌跡が出力限界内にあるか否かを判定する。車輪駆動モータ３１Ｌに要求されるモータ出力についても同様に判定する。

図４に破線で示した推定出力Ａのように、車輪駆動モータ３１Ｒ、３１Ｌの少なくともいずれか一方について、推定したモータ出力が出力限界超えた場合、モータ出力推定部５１は、モータ出力が出力限界を超えないように、稼動範囲判定部５３に対して稼動範囲を縮小するように要求する。稼動範囲が縮小すると、加速度が小さくなるとともに加速距離及び加速時間も短くなるため、図４に実線で示した出力Ａのように、モータ出力は低下する。このように、本実施の形態に係る倒立二輪型移動体１０では、モータ出力が出力限界を超えないように逐次制御しているため、転倒を確実に防止することができる。

また、従来の倒立二輪型移動体では、転倒を防止するために、モータの出力限界に対して充分にマージンが取られており、倒立二輪型移動体が有している性能を有効に利用することができなかった。これに対し、本実施の形態に係る倒立二輪型移動体１０では、図４に実線で示した出力Ａのように、モータ出力を出力限界に近付けることができる。すなわち、倒立状態を維持（転倒を防止）しつつ、倒立二輪型移動体１０の有している性能を有効に利用することができる。

さらに、図４に破線で示した推定出力Ｂのように、車輪駆動モータ３１Ｒ、３１Ｌの両方について、推定したモータ出力が出力限界よりも充分に小さい下限基準値を下回った場合、モータ出力推定部５１は、モータ出力が出力限界を超えない範囲で稼動範囲を拡大するように稼動範囲判定部５３に要求する。稼動範囲が拡大すると、加速度が大きくなるとともに加速距離及び加速時間も長くなるため、図４に実線で示した出力Ｂのように、モータ出力は上昇する。

このように、本実施の形態に係る倒立二輪型移動体１０では、推定したモータ出力が出力限界に比べて低過ぎる場合には、稼動範囲を拡大し、モータ出力を出力限界に近付けることができる。すなわち、倒立状態を維持（転倒を防止）しつつ、倒立二輪型移動体１０の有している性能を有効に利用することができる。

ところで、車輪駆動モータ３１Ｒ、３１Ｌに要求されるモータ出力を推定することにより、同時に搭乗者の搭乗状態も推定できる。例えば、訓練モードであれば、搭乗者の訓練改善度を推定できる。具体的には、推定したモータ出力が出力限界を超えるようであれば、搭乗者がバランスを崩しており、訓練改善度が低いと推定される。一方、推定したモータ出力が下限基準値を下回るようであれば、搭乗者がバランスを維持して搭乗できており、訓練改善度が高まっていると推定できる。すなわち、本実施の形態に係る倒立二輪型移動体１０では、訓練改善度が低い搭乗者に対しては自動的に稼動範囲を狭く設定し、改善度が高まるにつれて自動的に稼動範囲を広くしていくことが期待できる。

なお、本実施の形態では、回転情報として、車輪駆動モータ３１Ｒ、３１Ｌの回転数を用いているが、これに限定されることはない。例えば、車輪駆動モータ３１Ｒ、３１Ｌの回転角速度を回転情報として用いてもよい。また、トルク情報として、倒立制御部５２から各駆動回路１１Ｒ、１１Ｌに出力されるトルク指令信号を用いているが、これに限定されることはない。例えば、トルク指令信号に応じて各駆動回路１１Ｒ、１１Ｌから各車輪駆動ユニット３Ｒ、３Ｌに出力される駆動電流をトルク情報として用いてもよい。さらに、各車輪駆動モータ３Ｒ、３Ｌに駆動トルクを検出するトルクセンサを設け、このトルクセンサにより検出されたトルク値をトルク情報として用いてもよい。

次に、図３、５を参照して、本実施の形態に係る倒立二輪型移動体１０の制御方法について説明する。ここで、図５は、本実施の形態に係る倒立二輪型移動体１０の制御方法のフローチャートである。また、制御の主体は図３に示した制御部５である。

まず、図５に示すように、制御の開始とともに、図３に示した制御部５の稼動範囲判定部５３に対して稼動範囲の初期値が設定される（ステップＳＴ１）。稼動範囲の初期値は、例えば記憶部５ｂに格納されている。

次に、車輪駆動モータ３１Ｒ、３１Ｌの回転数及びトルクを監視する（ステップＳＴ２）。具体的には、図３に示すように、回転センサ１３Ｒ、１３Ｌにより回転情報が監視され、倒立制御部５２により生成された車輪駆動ユニット３Ｒ、３Ｌに対するトルク情報が監視される。

次に、回転センサ１３Ｒ、１３Ｌから出力される回転情報と、倒立制御部５２により生成された車輪駆動ユニット３Ｒ、３Ｌに対するトルク情報とに基づいて、モータ出力推定部５１は車輪駆動モータ３１Ｒ、３１Ｌに要求されるモータ出力をそれぞれ推定する（ステップＳＴ３）。

次に、モータ出力推定部５１は推定した車輪駆動モータ３１Ｒ、３１Ｌのモータ出力（推定値）が出力限界以下であるか否かを判定する（ステップＳＴ４）。車輪駆動モータ３１Ｒ、３１Ｌの少なくとも一方において、推定したモータ出力が出力限界を超えている場合（ステップＳＴ４ＮＯ）、モータ出力推定部５１は稼動範囲判定部５３に対して稼動範囲を縮小するように要求する（ステップＳＴ５）。その後、制御が継続していれば（ステップＳＴ８ＮＯ）、ステップＳＴ２に戻って制御を継続する。

車輪駆動モータ３１Ｒ、３１Ｌの両方において、推定したモータ出力が出力限界以下である場合（ステップＳＴ４ＹＥＳ）、モータ出力推定部５１は推定した車輪駆動モータ３１Ｒ、３１Ｌのモータ出力（推定値）が下限基準値以上であるか否かを判定する（ステップＳＴ６）。車輪駆動モータ３１Ｒ、３１Ｌの両方において、推定したモータ出力が下限基準値を下回っている場合（ステップＳＴ６ＮＯ）、モータ出力推定部５１は稼動範囲判定部５３に対して稼動範囲を拡大するように要求する（ステップＳＴ７）。その後、制御が継続していれば（ステップＳＴ８ＮＯ）、ステップＳＴ２に戻って制御を継続する。

車輪駆動モータ３１Ｒ、３１Ｌの少なくとも一方において、推定したモータ出力が下限基準値以上である場合（ステップＳＴ６ＹＥＳ）、制御が継続していれば（ステップＳＴ８ＮＯ）、そのままステップＳＴ２に戻って制御を継続する。つまり、推定したモータ出力が下限基準値以上かつ出力限界以下である場合、稼動範囲は変更されない。

このように、本実施の形態に係る倒立二輪型移動体１０では、モータの回転情報及びトルク情報から要求されるモータ出力を逐次推定し、推定したモータ出力が出力限界を超えると判断した場合には、稼動範囲を縮小する。稼動範囲が縮小すると、加速度が小さくなるとともに加速距離及び加速時間も短くなるため、モータ出力は低下する。そのため、モータ出力が出力限界を超えることを回避でき、転倒を確実に防止することができる。

さらに、本実施の形態に係る倒立二輪型移動体１０では、モータの回転情報及びトルク情報から要求されるモータ出力を逐次推定し、推定したモータ出力が下限基準値を下回る（出力限界に比べて低過ぎる）と判断した場合には、稼動範囲を拡大する。そのため、倒立状態を維持（転倒を防止）しつつ、モータ出力を出力限界に近付けて倒立二輪型移動体１０の有している性能を有効に利用することができる。

（第２の実施の形態）
図６を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る倒立二輪型移動体について説明する。図６は、本発明の第２の実施の形態に係る制御部の概略的なシステム構成を示すブロック図である。図６は、第１の実施の形態における図３に相当するものである。

第１の実施の形態に係る稼動範囲判定部５３は、カメラ２０から取得した画像に基づいて倒立二輪型移動体１０が稼動範囲内にあるか否かを判定していた。これに対し、図６に示すように、第２の実施の形態に係る稼動範囲判定部５３は、回転センサ１３Ｒ、１３Ｌから出力される車輪駆動モータ３１Ｒ、３１Ｌの回転数に基づいて倒立二輪型移動体１０が稼動範囲内にあるか否かを判定する。そのため、カメラ２０は不要である。その他の構成は第１の実施の形態に係る倒立二輪型移動体と同様であるため、説明を省略する。第２の実施の形態に係る倒立二輪型移動体も、第１の実施の形態に係る倒立二輪型移動体と同様の効果を奏する。

（第３の実施の形態）
図７、８を参照して、本発明の第３の実施の形態に係る倒立二輪型移動体について説明する。図７は、本発明の第３の実施の形態に係るマップ情報の一例を示すグラフである。図７は、本発明の第１の実施の形態における図４に相当するものである。図８は、本発明の第３の実施の形態に係る倒立二輪型移動体の制御方法のフローチャートである。図８は、第１の実施の形態における図５に相当するものである。

図７に示すように、第３の実施の形態に係るマップ情報では、出力限界のみが規定されており、下限基準値は規定されていない。そのため、図８に示すように、第３の実施の形態に係る倒立二輪型移動体の制御方法では、第１の実施の形態におけるステップＳＴ６、ＳＴ７がない構成となっている。その他の構成は第１の実施の形態に係る倒立二輪型移動体と同様であるため、説明を省略する。

第３の実施の形態に係る倒立二輪型移動体でも、モータの回転情報及びトルク情報から要求されるモータ出力を逐次推定し、推定したモータ出力が出力限界を超えると判断した場合には、稼動範囲を縮小する。稼動範囲が縮小すると、加速度が小さくなるとともに加速距離及び加速時間も短くなるため、モータ出力は低下する。そのため、モータ出力が出力限界を超えることを回避でき、転倒を確実に防止することができる。なお、稼動範囲を拡大するには、搭乗者や訓練監督者などが操作すればよい。

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。
例えば、上記モータ出力推定部５１が実行する処理を、ＣＰＵ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。

１ 車両本体
２Ｌ、２Ｒ 車輪
３Ｌ、３Ｒ 車輪駆動ユニット
４ 操作ハンドル
５ 制御部
５ａ 演算回路
５ｂ 記憶部
６Ｌ、６Ｒ ステップ部
７Ｌ、７Ｒ ステップセンサ
８ 角度検出センサ
９ バッテリ
１０ 倒立二輪型移動体
１１Ｌ、１１Ｒ 駆動回路
１２ 姿勢センサユニット
１３Ｌ、１３Ｒ 回転センサ
２０ カメラ
３１Ｌ、３１Ｒ 車輪駆動モータ
３２Ｌ、３２Ｒ 減速ギア
５１ モータ出力推定部
５２ 倒立制御部
５３ 稼動範囲判定部

Claims (8)

1. 倒立制御により倒立状態を維持しつつ、車輪をモータによって駆動する倒立二輪型移動体であって、
   前記モータの駆動を制御するとともに、当該倒立二輪型移動体の稼動範囲を制御する制御部と、
   前記モータの駆動状態を検出するセンサと、を備え、
   前記制御部は、
   前記駆動状態に基づいて、前記モータに要求される出力を推定し、
   推定した前記出力が前記モータの出力限界を超えた場合、前記稼動範囲を縮小する、
   倒立二輪型移動体。
2. 前記制御部は、
   推定した前記出力が予め定められた下限基準値を下回った場合、前記稼動範囲を拡大する、
   請求項１に記載の倒立二輪型移動体。
3. 前記モータに電圧を供給するバッテリと、
   前記出力限界が格納される記憶部と、をさらに備え、
   前記バッテリから供給される電圧の変化に応じて、前記出力限界が更新される、
   請求項１又は２に記載の倒立二輪型移動体。
4. 前記出力が、前記モータの回転情報とトルク情報とから規定され、
   前記出力限界が、前記モータの回転情報とトルク情報とから規定されている、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の倒立二輪型移動体。
5. 前記制御部は、
   前記稼動範囲内であるか否かを、カメラから取得した画像に基づいて判定する、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の倒立二輪型移動体。
6. 前記制御部は、
   前記稼動範囲内であるか否かを、前記モータの回転情報に基づいて判定する、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の倒立二輪型移動体。
7. 倒立制御により倒立状態を維持しつつ車輪をモータによって駆動する倒立二輪型移動体の制御方法であって、
   前記モータの駆動状態を検出するステップと、
   検出した前記駆動状態に基づいて、前記モータに要求される出力を推定するステップと、を備え、
   推定した前記出力が前記モータの出力限界を超えた場合、当該倒立二輪型移動体の稼動範囲を縮小する、
   倒立二輪型移動体の制御方法。
8. 推定した前記出力が予め定められた下限基準値を下回った場合、前記稼動範囲を拡大する、
   請求項７に記載の倒立二輪型移動体の制御方法。

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