Personal balance vehicle

【０００１】
【技術分野】
本発明は、個人を搬送する乗物（車）及び方法に関し、特に、動力駆動装置を含む制御ループを採用した個人搬送乗物及び方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
対象とする人間（対象）を搬送する広範囲の乗物（車）と方法が公知となっている。 そういった乗物は静的安定に依存し、乗物の接地部材の予期される変位条件下で安定するように設計されている。 したがって、例えば、自動車の重心に作用する重力ベクトルが自動車の車輪の接地点間を通り、そのサスペンション装置が全ての車輪を常に地面上に保持し、故に、自動車は安定する。 代替的に、自転車の場合は、動的安定はユーザの動作によって維持され、あるいは、米国特許第５，７０１，９６５号及び１９９５年２月３日に出願された米国特許出願第０８／３８４，７０５号で説明されている人間搬送装置の場合は、制御ループによって維持される。 この米国特許及び特許出願は参照のためにここに組み入れられる。
【０００３】
これらの文献に説明されているバランス乗物はしかしながら静的安定性を欠く。 例えば、図１を参照すると、番号１８で示す従来技術の個人用搬送装置が示されており、対象１０は支持プラットフォーム１２上に立ち、プラットフォーム１２に取り付けられているハンドル１６上のグリップ１４を握る。 従って、この形態の乗物１８をスクータの運転に似た方法で運転することができる。 対象が傾くことによってホイール２０に車軸２２回りのトルクを与えることができ、その結果、乗物に加速を生じさせることができるように制御ループが備えられている。 しかしながら、乗物１８は静的に不安定であり、動的安定性を維持する制御ループの操作なくして、対象１０はもはや起立した位置に支持されず、プラットフォーム１２から落下するだろう。 番号２４によって表示される従来技術の別のバランス乗物を図２に示す。 個人用乗物２４は、図１の乗物１８の特性、すなわち、対象１０を支持する支持プラットフォーム１２、およびプラットフォーム１２に付けたハンドル１６上のグリップ１４を共有し、従って、この形態の乗物２４もまたスクータの運転に似た方法で運転することができる。 図２は、それぞれが複数のホイール２８を持つ複数のクラスタ２６を乗物２４が有することができることと、乗物２４が静的に不安定なままであり、動的安定性を維持する制御ループの操作なくして、対象１０がもはや起立位置に支持されずにプラットフォーム１２から落下するかもしれないことを示す。
【０００４】
対照的に、自動車あるいは米国特許第４，７９０，５４８５号（Ｄｅｃｅｌｌｅｓ他）に説明されている階段登り乗物のように、他の従来技術の乗物は静的に安定する。 しかしながら、これらの静的に安定する乗物はバランス能力に欠ける。 これらの乗物はまた、運転者の傾きによって乗物の運動を支配する能力にも欠けている。
【０００５】
静的に不安定なバランス乗物の場合、ある種のシステム構成要素の故障に対して運転者の安全を考慮すると、係属中の米国特許出願第０９／１８４，４８８号、第０８／８９２，５６６号及び第０９／１６８，５５１号に説明されるような特別な戦略を採用する必要がある。
【０００６】
【発明の開示】
本発明の好ましい実施の形態によると、イレギュラーであるかもしれない表面上で人間対象を輸送するための装置が提供される。 装置は、対象を支持するプラットフォームを有し、このプラットフォームの向きによって前後及び横方向に延伸する複数の平面が定められる。 装置は、また、プラットフォームに対して旋回自在に連結されプラットフォームを前記表面の上方で吊設する接地モジュール（プラットフォームと接地モジュールはアセンブリの構成要素である）と、該アセンブリに取り付けられ該アセンブリと対象を前記表面上で移動させる動力駆動装置とを有する。 最後に、乗物は、この動力駆動装置が含まれる制御ループを有し、この制御ループは、アセンブリに特定の加速を生じさせるように動力駆動装置を運転することによりアセンブリを動的に維持する。
【０００７】
本発明の代替実施形態によると、乗物はまた、支持プラットフォームを旋回自在に接地モジュールに連結するピボットと、接地モジュールに対して支持プラットフォームの運動を制限するロック機構とを有する。 制御ループへの動力を遮断したときに、支持プラットフォームの運動を制限するロック機構が作動されるようにすることができる。 接地アセンブリは第１軸回りに回転する第１ホイールと、該第１軸と同一線上にない第２軸回りに回転する第２ホイールとを有することができる。
【０００８】
発明のさらなる実施の形態によると、制御ループは、乗物の前後の運動が対象が変えることができる支持プラットフォームの前後の傾きによって制御されるように構成される。
【０００９】
【発明の実施形態】
発明は添付の図面を参照してなされる以下の説明によってより容易に理解される。
【００１０】
図３は、少なくとも平地で静的に安定する駆動プラットフォーム１０２を有する個人的乗物１００の簡易化された実施の形態を示す。 横方向に配列された接地要素１０４（図では、右側、すなわち、手前側の接地要素だけが示されている）に加えて、１又はそれ以上の追加の接地要素１０６を備え、追加の接地要素１０６は、他方の車軸１１０とは別の車軸１０８を持つ。
【００１１】
本発明において、用語「ホイール」は乗物の接地要素のことを示すように用いられているが、これは、本発明の特許範囲の中で使われるかもしれない接地要素の本質を制限することを意図するものではないことが理解される。 例えば、ホイールの組（ホイールクラスタ）、アーチ形の部材、トラック、またはトレッドが適切な条件の下でホイールに代えて用いられることは機械技術分野の当業者にとって明白であろう。
【００１２】
ホイール１０４は、垂直軸Ｚ−Ｚ、ホイール１０４の車軸１１０と一致する軸に平行な横軸Ｙ−Ｙ、およびホイール車軸に垂直な前後軸Ｘ−Ｘを含む一連の軸を定義するのを助ける。 垂直軸Ｚ−Ｚと横軸Ｙ−Ｙによって定義される面は時として「横平面」と呼ばれ、そして、前後軸Ｘ−Ｘと垂直軸Ｚ−Ｚによって定義される面は時として「前後平面」と呼ばれる。 軸Ｘ−Ｘと、軸Ｙ−Ｙに平行な方向はそれぞれ、前後方向、横方向と呼ばれる。
【００１３】
車軸１０８と車軸１１０間の距離は乗物１００のホイルベースを確立する。 ホイルベースは、ゼロから各ホイールの代表的サイズの１０倍以上に渡ることができる。 しかしながら、ホイルベースは望ましくは、ホイール１０４のサイズの０．５倍から４倍までの範囲内である。 ホイール１０４と１０６のサイズは図示されるように等しいサイズ、または等しくないサイズにすることができる。
【００１４】
駆動プラットフォーム１０２は、乗物の席乗員を支持する支持プラットフォーム１１２に旋回自在に連結されている。 乗物の席乗員は支持プラットフォームの上のどんな位置にも位置することができ、例えば、席乗員は支持プラットフォームの上に立つかもしれない。 この実施の形態の乗物１００をスクータに類似した方法で運転することができるように、グリップ１１６と共にハンドル１１４を支持プラットフォーム１１２に連結して設けることができる。 対象が傾くことで１以上のホイール１０４と１０６にそれぞれの車軸１０８と１１０回りのトルクを与え、その結果、乗物の加速を引き起こすように制御ループを備えることができる。
【００１５】
正常動作条件の下では、支持プラットフォーム１１２は、駆動プラットフォーム１０２に固定したピボット１１８回りに自由に旋回できる。 発明の代替実施態様では、支持プラットフォーム１１２の駆動プラットフォーム１０２に対する旋回を、垂直と、前方運動とを含む前後面に制限することができる。 運動平面内では、支持プラットフォームの旋回は、駆動プラットフォーム１０２に結合された運行ストッパ、または、駆動プラットフォーム１０２を支持プラットフォーム１１２にそれぞれのプラットフォームの前後両端のいずれか一方もしくは両方において連結するばねのような対応部材によって制限される。 発明のさらに別の代替実施態様では、支持プラットフォーム１１２はモータなどのロータリアクチュエータ１２４によって活発に駆動される。 制御ループ制御下で（詳細は以下に説明する）、支持プラットフォーム１１２の垂直バランスは、支持プラットフォーム１０２を前方又は後方に動かすのによって維持される。
【００１６】
駆動プラットフォーム１０２はまた、ユーザのコマンドに反応することができる。 例えば、運転者が体重を前方若しくは後方又は一側又は他側へ移行させることによってユーザコマンドを活性化する（与える）ことができる。 支持プラットフォームが横方向に旋回できる１実施形態では、運転者が横に傾くことが方向と、ターンの速度の決定に用いられる。 代わりに、運転者は、例えば、グリップ１１６に取り付けられたジョイスティックやダイヤルなどのユーザ入力インタフェース機器によってコマンドを与えることができる。 左右への傾きを検知し、かつ、検知した傾きの結果、左右ターンを引き起こすために提供された関連制御を検知する適当な力変換器を備えることができる。 傾きは、支持プラットフォーム１１２の旋回角度を測定するのによってもまた検出できる。 さらに、各ホイールへの力は、地力センサを使用することで測定できる。 同様に、この実施形態の乗物は、対象が支持プラットフォーム１１２の上に立つと自動的に乗物を動かすようにスイッチが閉じられるように設けた足踏み（または、力）作動方式のスイッチを備えることができる。
【００１７】
例えば、動力に不具合がある場合に生じるような緊急状態のとき、制御ループは作動しないかもしれない。 そのような状態が検出されると、ピボット１１８は固定され、その結果、駆動プラットフォーム１０２と支持プラットフォーム１１２を剛状態に連結することができる。 ピボット１１８をロックすることによって、支持プラットフォーム１１２と、該プラットフォームによって支持されたユーザが前後方向に旋回することが防止される。 対象が乗った乗物１００の重心１２２に作用するベクトル１２０（これは、重力と、前後加速度ベクトルの合力である）が駆動プラットフォーム１０２のホイルベースの上にある限り、対象が乗った乗物は安定するので、転倒しないであろう。 ピボット１１８がこれらの情況の下でロックしないならば、支持プラットフォーム１１２は前方か後方に自由に旋回することができるであろうし、そして、制御ループの制御下の駆動プラットフォーム１０２の補償運動がなければ、支持プラットフォーム１１２と、それにより支持された対象は垂直安定性を突然失うであろう。
【００１８】
駆動プラットフォーム１０２と支持プラットフォーム１１２を連結するためにピボット１１８が示されているが、これに代えて、同様な曲げ機能を与える他のリンクを使用することも添付の本発明の特許請求の範囲内に含まれる。 例えば、本発明の別の実施形態に従って、フレキシブルリンクは、スプリング又はニューマチックピストンによって駆動プラットフォーム１０２を支持プラットフォーム１１２に連結して、通常の動力作動モードにおけるフレキシブル・カップリングを与えることができ、かつ、動力や制御が妨げられた場合に、両プラットフォーム１０２，１１２をロック状態にすることができる。 発明のさらに別の実施形態によると、通常の運転の間にソレノイドを作動させて摩擦ブレーキを解除する。 ソレノイドへの電流の供給を停止すると、ピボット１１８をロックするように機械ばねはその摩擦表面を変位させる。
【００１９】
図４のブロック線図において、図３の実施形態のモータ駆動装置とアクチュエータを制御して移動とバランスを獲得する制御システム５１を示す。 制御システム５１は、それぞれ左右のホイールのためのモータ駆動装置５３１，５３２と、ピボットロックアクチュエータ５２（これは発明のいくつかの実施形態で使用できる） を含む。 制御システム５１は、ユーザインタフェース５６１と、前後の傾きを検知する傾きセンサ５６２と、ホイール回転センサ５６３を含むデータ入力を含む。 傾きセンサ５６２は、支持プラットフォームの慣性傾き（すなわち、重力に関する角度）を測定するためのセンサ、または、これに代えて、支持プラットフォームと駆動プラットフォーム間の旋回、すなわち、角度を測定するセンサとすることができる。
【００２０】
ホイールが移動のために運動しているときに、図３に示す発明の実施形態においてバランスを得るための簡易化された制御アルゴリズムを図５のブロック線図に示す。 プラント（ｐｌａｎｔ）６１は、制御ループが適用される前の、単一のモータによって駆動される接地モジュールを備えるシステムの運動方程式に等しい。 図５で表現される制御ループの操作は電機工学の分野においてよく知られており、例えば、フレーザ（Ｆｒａｓｅｒ）と、ミルン（Ｍｉｌｎｅ）によるＩＥＥＥ出版（１９９４）の「電機工学（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）」、特に、第１１章の「連続制御の原理（Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ）」で概説されている。 本文献は参照のためにここに組み入れられる。 図５において、Ｔは、ホイール駆動装置によって１以上のホイールに与えられるホイールトルクを表す。 文字Ｚ _{（ ｉｎｃ ）}は前後傾き（重力線、すなわち、垂線に対する乗物の傾き）を表す（Ｚ _{（ ｉｎｃ ）}は、国際出願の明細書において、Ｚの上にレ点、あるいはＺの上に下側が凸の円弧を付して示された記号であったが、日本国においてそれを電子出願で表示（使用）できないので、それに代えて使用するものである）。 Ｘは基準点に対する表面に沿った前後変位を表す。 そして、文字の上のドットは時間に関して微分される変数を表す。 代替的に、Ｚ _{（ ｉｎｃ ）}を旋回角度又は前後のホイールによって支えられる重量の差とすることができる。 図の残りの部分はバランスを獲得するのに使用される制御部である。 ボックス６２と６３は差動を示す。 動的制御を達成してシステムの安定性を保証し、かつ、表面上の基準点の近辺にシステムを保つために、この実施形態におけるホイールトルクＴは以下の方程式を満たすように設定される。
Ｔ ＝ Ｋ _１ （Ｚ _{（ ｉｎｃ ）} ＋ Ｚ _{（ ｉｎｃ ） ０} ） ＋ Ｋ _２ ＋ Ｋ _３ （Ｘ＋Ｘ _０ ） ＋ Ｋ _４
利得Ｋ _１ 、Ｋ _２ 、Ｋ３、およびＫ _４は重力などのシステムの物理パラメータその他の効果に依存し、一方、オフセットＺ _{（ ｉｎｃ ） ０}とＸ _０は乗物のスピードを制限するようなシステムの運転モードによって特定することができ、あるいは、代替的に、ユーザ入力装置を用いてユーザによって設定することができる。 図５の簡易化された制御アルゴリズムは、対象の体の動き、あるいは他の人又は物との接触により表面上の基準点に対するシステムの質量中心の変化などの障害が存在するとき、乗物全体のバランスを維持し、かつまた、乗物の表面上の基準点への近接も維持する。 乗物の移動を持続するために、例えば、Ｋ _３はゼロにセットされ、またはＸ（若しくは、Ｘ _０ ）は絶えずリセットされる。 Ｋ _３は、前後運動の傾き制御を可能にするためにゼロへにセットされる。 ジョイスティックなどの外部入力装置が使用されているならば、その入力装置は、必要な位置Ｘ _０をリセットするのに使用できる。
【００２１】
図５に示す１ホイールシステムに代えて２つの駆動ホイールを適用するために、左のモータから必要とされるトルクと、右のモータから必要とされるトルクが図１１に関連して以下で説明される。 さらに、左ホイールと右ホイールの両方の運動を追跡することで、要求されていない乗物のターンを防ぎ、かつ、２個の駆動モータ間の性能変化を補償するための調整を可能にする。
【００２２】
ジョイスティックなどの手動インタフェースは各モータのトルクを調整するのに使用される。 ジョイスティックは図６に示す軸を有する。 この実施形態の運転において、ジョイスティックの前進運動は乗物の前進運動を引き起こすのに使用され、ジョイスティックの逆方向への動きは乗物の後方への動きを引き起こす。 ジョイスティックを左に動かすことにより同様に左折が行われる。 右折するにはジョイスティックを右に動かす。 ここで使用された構成は、ジョイスティックが左または右に動かされるとき、乗物が適所でターンすることを可能にする。 ジョイスティックに代わる前進及び後退手段は単に前方又は後方に傾けることである。 なぜなら、傾きセンサ（Ｚ _{（ ｉｎｃ ）}を測定する）が傾き変化を確認して、増幅器Ｋｌ（図５）によって増幅された入力（より一般に、信号状態の入力）を１個以上のホイールに与えられるべきトルクＴを決定する加算器に提供し、その結果、傾きの方向に従って、前進又は後退運動を先導する。 代替的に、ファジー論理に基づく制御戦略を与えることができる。
【００２３】
モータトルクを調整する手法によって、前後の安定性が達成されることが理解される。 言い換えれば、安定性は、乗物の構成要素（この場合、乗物全体を構成する）の地面に対する動きによって動的に達成される。
【００２４】
図７は数字２７３によって示す駆動装置インタフェースアセンブリの詳細を示すブロック線図である。 周辺マイクロコントローラボード２９１はジョイスティック２９２と傾斜計２９３から入力を受ける。 傾斜計２９３は傾斜及び傾斜速度に関する情報信号を提供する。 （発明の詳細な説明と付随の特許請求の範囲で使用される用語「傾斜計」は、加速度計、旋回角センサ、ジャイロスコープ、地力センサ、またはそれらの組み合わせも含むどんなデバイスをも意味し、出力を得るために使用する装置にかかわらず傾斜及び傾斜速度を表す出力を与えるものである。傾斜及び傾斜速度変数のうちの１つが出力として提供されるならば、もう片方の変数は時間に関して適当な微分又は積分を行うことによって得ることができる。）制御された傾斜を乗物のターンにするために （その結果、ターンの際の安定性を増加させるために）、第２傾斜計を利用してロール及びロール速度に関する、あるいは代替的に、システムの重量と遠心力の合力に関する情報を提供することも実行可能である。 また、他の入力２９４もまた、周辺マイクロコントローラボード２９１に対する入力として提供されることが好ましい。 そういった他の入力は、椅子が備えられる実施形態の場合、椅子を調整のためのスイッチ（ノブとボタン）によってゲート制御される信号と、特定の運転モードを決定するための信号を含むようにすることができる。 周囲マイクロコントローラボード２９１はまた、バッテリースタック２７１から受信するバッテリー電圧、バッテリー電流、およびバッテリー温度に関する信号入力を有する。 周囲マイクロコントローラボード２９１はバス２７９を介して中央マイクロコントローラボード２７２と通信する。
【００２５】
図８は左右駆動輪（図３の１１０のものに相当する）のモータのための制御装置を示す。 この制御装置は、基準座標系のＸ軸とＹ軸に沿ってジョイスティック位置により決定される方向入力３３００に加え、さらに、Ｚ _{（ ｉｎｃ ）}と、ｒ _ｗｌ （絶対座標系に対する左ホイールの線速度）と、ｒ _ｗｒ （右ホイールの線速度）の入力を有する。 それぞれ利得Ｋ１、ｋ２、Ｋ３、およびＫ４を受ける入力Ｚ _{（ ｉｎｃ ）}と、、誤差電圧ｘと、及び（以下で説明される）は加算器３３１９への入力となり、加算器３３１９は、図５に関して上で説明された一般的な方法でホイールのための基本的なバランストルクコマンドを生成する。 加算器３３１９の出力は、加算器３３２０においてヨーＰＩＤループ３３１６（以下で説明される）の出力に結合され次にディバイダ３３２２で分割されて、飽和リミター３３２４で制限され、左ホイールトルクコマンドを生成する。 同様に、加算器３３１９の出力は、加算器３３２１においてＰＩＤループ３３１６の出力に結合され次にディバイダ３３２３で分割され、飽和リミター３３２５で制限されて右ホイールトルクコマンドを作成する。
【００２６】
図８では、Ｘ軸に沿った方向入力は、絶対座標系（これは運行した表面を表す）に対して基準座標系をそのＸ軸に沿って、ジョイスティックの変位に比例した速度で動かす。 Ｙ軸に沿った方向入力は、ジョイスティックの変位に比例する角速度で、基準座標系をそのＺ軸に関して回転させる。 ジョイスティックの正のＸ方向の動きはここでは前進運動を意味し、そしてジョイスティックの負のＸ方向の動きは逆の動き（後退運動）を意味するように解釈されることが理解される。 同様に、ジョイスティックの正のＹ方向の動きは、上から見たときに反時計回りの左ターンを意味し、ジョイスティックの負のＹ方向の動きは、上から見たときに時計回りの右ターンを意味する。 したがって、方向入力ＹとＸは、それぞれ不動帯ブロック３３０１と３３０２を介して不動帯が与えられ、ジョイスティックのニュートラル・ポジションを広くし、次ぎに、利得Ｋ１１とＫ１０を受け、そして次ぎに、基準座標系の角加速度と線形加速度をそれぞれ制限するリミター３３０３と３３０４により速度制限される。 加算器３３０５を通して達成されるこれらの出力の合計は基準速度_ｒｒｅｆになるが、加算器３３０６を通して達成されるこれらの出力の差は基準速度_ｌｒｅｆになる。 これらの基準速度は、基準座標系内で左右のホイールのための速度誤差信号_ｌ 、および_ｒを得るために、加算器３３０８と３３０７において、左右ホイールのための補正された線速度入力信号ｒ _ｗｌとｒ _ｗｒ （これらの数量に関して、図３５に関連した以下の説明を参照されたい）から引き算される。 次ぎに、加算器３３１７及びディバイダ３３１８を介して決定されたこれらの信号の平均値は線速度誤差信号を生成する。 変位誤差信号ｘは積分器３３１０と３３０９でｒ _ｗｌとｒ _ｗｒを積分することで得られ、飽和リミター３３１２と３３１１で結果を制限し、次に加算器３３１３及びディバイダ３３１５を介してそれらの出力を平均する。 加算器３３１４を介して決定された、これらの変位の差はヨー誤差信号２を生成する。
【００２７】
ヨー誤差信号２は標準比例積分及び微分（ＰＩＤ）制御ループ３３１６に通され、ＰＩＤ制御ループの出力は加算器３３１９の基本バランストルクコマンドの出力に結合され、個々のホイールトルクコマンドが生成される。 これらのコマンドにより、ホイールが前後の安定性を維持し、また、乗物自体を、方向入力３３００によって方向付けられる基準座標系の軸と一直線上に並べさせ該座標系の原点に続くようにさせる。
【００２８】
発明の説明された実施の形態は単に例示的なものであることを意図し、多数の変形及び変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。 そのようなすべての変形と変更は、添付の特許請求の範囲に記載されるように、本発明の範囲内であることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
対象が立った姿勢で乗った状態を維持することができるような安定した静的位置に欠ける従来技術の乗物の側面図である。
【図２】
対象が立った姿勢で乗った状態を維持することができるような安定した静的位置に欠ける従来技術の別の乗物の側面図である。
【図３】
本発明の好ましい実施形態に従う、独立して吊設された支持プラットフォームを有する個人用乗物の側面図である。
【図４】
図３の実施形態に関して、センサ、動力及び制御の性質を全般的に示すブロック線図である。
【図５】
ホイールトルクを用いてバランスを達成するための、図３の簡略版のための制御戦略を示す図である。
【図６】
図３の実施形態のホイールのジョイスティック制御の作動を示す概略図である。
【図７】
駆動装置インタフェースアセンブリの詳細を示すブロック線図である。
【図８】
バランスのとれた正常な移動の際のホイールモータの制御を示す概略図である。