JP2018024388A

JP2018024388A - 走行装置

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Publication number: JP2018024388A
Application number: JP2016158719A
Authority: JP
Inventors: 釜　剛史; Takashi Kama; 剛史釜; 森　淳; Atsushi Mori; 淳森
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-08-12
Filing date: 2016-08-12
Publication date: 2018-02-15
Anticipated expiration: 2036-08-12
Also published as: JP6669002B2

Abstract

【課題】ホイールベース長が調整でき、パーソナルモビリティとして気軽に乗降できる軽量な走行装置においては、走破性を確保しながらも、ホイールベース長が短くなったときの安定性をいかに保つかが課題であった。【解決手段】前輪を回転可能に支持する前輪支持部材と、走行方向に並ぶ複数の後輪のそれぞれを回転可能に支持する台車基体と、台車基体に設置されたユーザの搭乗部と、複数の後輪のそれぞれの回転軸と平行な揺動軸周りに台車基体に揺動可能に軸支された後輪支持部材と、前輪および後輪のうちの少なくともひとつを駆動する駆動部と、前輪支持部材と後輪支持部材を相対的に回転させる回転部を含み、前輪支持部材と後輪支持部材のなす角を変化させてホイールベース長を調整する調整機構と、ホイールベース長に連動するパラメータに対応付けられた目標速度に基づいて駆動部を制御する制御部とを備える走行装置を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、ユーザが搭乗して走行する走行装置に関する。

近年、パーソナルモビリティが脚光を浴びている。パーソナルモビリティは、小回りを優先させて小型に製造されることが多く、そのために高速走行時の安定性には欠けるという課題があった。パーソナルモビリティに限らず、高速走行時の安定性を高める観点から、ホイールベース長を調整できる車輌が提案されている（例えば、特許文献１、２を参照）。

特開平１−１０６７１７号公報特開２００５−２３１４１５号公報

ホイールベース長が調整できるこれまでに提案されている車輌は、乗用車から派生した車輌であるものが多く、自転車のように気軽に乗降することが考慮されていなかった。パーソナルモビリティとして気軽に乗降できる軽量な走行装置においては、走破性を確保しながらも、ホイールベース長が短くなったときの安定性をいかに保つかが課題であった。特に、搭乗者がバランスを崩さないように降機できる安定性が求められている。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、ホイールベース長が調整できる走行装置において、走破性と安定性を両立するものである。

本発明の一態様における走行装置は、ユーザが搭乗して走行する走行装置であって、前輪を回転可能に支持する前輪支持部材と、走行方向に並ぶ複数の後輪のそれぞれを回転可能に支持する台車基体と、台車基体に設置されたユーザの搭乗部と、複数の後輪のそれぞれの回転軸と平行な揺動軸周りに台車基体に揺動可能に軸支された後輪支持部材と、前輪および複数の後輪のうちの少なくともひとつを駆動する駆動部と、前輪支持部材と後輪支持部材を相対的に回転させる回転部を含み、ユーザの動作が伝達することにより前輪支持部材と後輪支持部材のなす角が変化して、前輪と複数の後輪のホイールベース長が調整される調整機構と、ホイールベース長に連動するパラメータに対応付けられた目標速度に基づいて駆動部を制御する制御部とを備える。

このような構成により、ホイールベース長が短くなった状態でもユーザは安定的に搭乗できる。特に、降機時において走行装置が傾いたりユーザがバランスを崩したりする可能性を低減することができる。また、いわゆるロッカーボギー機構に類する車輌構造となるので、走行面の凹凸に対しても高い走破性を期待できる。

本発明により、ホイールベース長が調整できる走行装置において、走破性と安定性を両立できる。

本実施形態に係る走行装置の低速走行時における側面概観図である。走行装置の上面概観図である。走行装置の高速走行時における側面概観図である。走行装置の制御ブロック図である。回転角と目標速度の関係を示すグラフである。他の例の回転角と目標速度の関係を示すテーブルである。走行中の処理を示すフロー図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る走行装置１００の低速走行時における側面概観図であり、図２は、図１の状態における走行装置１００を上方から観察した上面概観図である。なお、図２では、図１において点線で示すユーザ９００を省いている。

走行装置１００は、パーソナルモビリティの一種であり、ユーザが立って搭乗することを想定した電動式の移動用車輌である。走行装置１００は、走行方向に対して１つの前輪１０１と４つの後輪１０２（右前側後輪１０２ａ、左前側後輪１０２ｂ、右後側後輪１０２ｃ、左後側後輪１０２ｄ）を備える。

前輪１０１は、ユーザ９００がハンドル１１５を操作することで向きが変わり、操舵輪として機能する。右前側後輪１０２ａと左前側後輪１０２ｂは、車軸１０３ａで連結されており、右後側後輪１０２ｃと左後側後輪１０２ｄは、車軸１０３ｂで連結されている。車軸１０３ａと車軸１０３ｂは走行方向に対して平行に配置されており、右前側後輪１０２ａと左前側後輪１０２ｂの対と、右後側後輪１０２ｃと左後側後輪１０２ｄの対は、走行方向に対して前後に並ぶ位置関係にある。

４つの後輪１０２は、不図示のモータと減速機構によって駆動されて、駆動輪として機能する。４つの後輪１０２を駆動輪とすることで、走行面に凹凸がある場合でもいずれかの後輪が接地する可能性が高まり、高い走破性が期待できる。なお、凹凸の少ない走行面で利用する場合などにおいては、右前側後輪１０２ａと左前側後輪１０２ｂの対と、右後側後輪１０２ｃと左後側後輪１０２ｄの対の一方を駆動輪としても良い。

前輪１０１は、前輪支持部材１１０により回転可能に支持されている。前輪支持部材１１０は、前側支柱１１１とフォーク１１２を含む。フォーク１１２は、前側支柱１１１の一端側に固定されており、前輪１０１を両側方から挟んで回転自在に軸支している。前側支柱１１１の他端側には、ハンドル１１５が前輪１０１の回転軸方向に延伸するように固定されている。ユーザ９００がハンドル１１５を旋回操作すると、前側支柱１１１は、その操作力を伝達して前輪１０１の向きを変える。

４つの後輪１０２は、車軸１０３（１０３ａ、１０３ｂ）を介して、台車基体として機能する本体部１２２により回転可能に支持されている。本体部１２２は、上述のモータと減速機構、モータに給電するバッテリ等を収容する筐体の機能も担う。本体部１２２の上面にはユーザ９００が足を置くための搭乗部としてのステップ１４１が設けられている。

本体部１２２の中央部近傍には、鉛直方向上向きに台車継手１２３が突設されている。台車継手１２３は、後輪支持部材としての後側支柱１２１の一端を揺動軸Ｊ_Ａ周りに軸支する。これにより、後側支柱１２１は、本体部１２２と相対的に、車軸１０３と平行である揺動軸Ｊ_Ａ周りに揺動し得る。

前側支柱１１１と後側支柱１２１とは、旋回継手１３１とヒンジ継手１３２を介して連結されている。旋回継手１３１は、前側支柱１１１のうち、ハンドル１１５が固定された他端寄りの位置に固定されている。さらに、旋回継手１３１は、ヒンジ継手１３２に枢設されており、前側支柱１１１の伸延方向と平行な旋回軸Ｔ_Ａ周りに、ヒンジ継手１３２と相対的に回動する。ヒンジ継手１３２は、後側支柱１２１のうち、台車継手１２３に軸支された一端とは反対側の他端と枢設されており、車軸１０３の伸延方向と平行なヒンジ軸Ｈ_Ａ周りに、後側支柱１２１と相対的に回動する。

このような構造により、ユーザ９００は、ハンドル１１５を旋回させると、後側支柱１２１に対して旋回軸Ｔ_Ａ周りに前輪支持部材１１０が旋回して前輪１０１の向きを変えられる。また、ユーザ９００は、ハンドル１１５を走行方向に対して前方へ傾けると、前側支柱１１１と後側支柱１２１とがヒンジ軸Ｈ_Ａ周りに相対的に回転して、前側支柱１１１と後側支柱１２１の成す角を小さくできる。前側支柱１１１と後側支柱１２１の成す角が小さくなると、前輪１０１と後輪１０２のホイールベース（ＷＢ）の間隔であるＷＢ長は短くなる。

逆に、ユーザ９００は、ハンドル１１５を走行方向に対して後方へ傾けると、前側支柱１１１と後側支柱１２１とがヒンジ軸Ｈ_Ａ周りに相対的に回転して、前側支柱１１１と後側支柱１２１の成す角を大きくできる。前側支柱１１１と後側支柱１２１の成す角が大きくなると、ＷＢ長は長くなる。ここで、ＷＢ長は、図１に示すように、走行方向に沿って、前輪と、後輪１０２の中心とを結ぶ距離とする。ＷＢ長の定義は、これに限らず、前輪と後輪の走行方向に沿った距離を表すものであれば良い。

ヒンジ継手１３２の近傍には、付勢バネ１３３が取り付けられている。付勢バネ１３３は、ヒンジ軸Ｈ_Ａ周りに、前側支柱１１１と後側支柱１２１の成す角を小さくする回転方向へ付勢力を発揮する。付勢バネ１３３は、例えば、トーションバネである。付勢バネ１３３の付勢力は、ユーザ９００がハンドル１１５に触れない場合に、前側支柱１１１と後側支柱１２１の成す角が構造上の最小角になるように変化させ、一方で、ユーザ９００がハンドル１１５を走行方向に対して後方へ容易に傾けられる程度に設定されている。したがって、ユーザ９００は、ハンドル１１５への加重およびステップ１４１への加重の少なくともいずれかを変化させることにより、前側支柱１１１と後側支柱１２１の成す角を調整でき、ひいてはＷＢ長を調整できる。

ヒンジ継手１３２の近傍には、回転角センサ１３４が取り付けられている。回転角センサ１３４は、ヒンジ軸Ｈ_Ａ周りに前側支柱１１１と後側支柱１２１の成す角を出力する。回転角センサ１３４は、例えば、ロータリエンコーダである。回転角センサ１３４の出力は、後述する制御部へ送信される。

走行装置１００は、ＷＢ長が短ければ低速で走行し、ＷＢ長が長ければ高速で走行する。図１は、ＷＢ長が短い低速走行時の様子を示している。図３は、図１と同様の走行装置１００の側面概観図であるが、ＷＢ長が長い高速走行時の様子を示している。

図示するように、前側支柱１１１と後側支柱１２１の成す角を、相対的に開く方向を正として、回転角θとする。また、回転角θが取り得る最小値（最小角）をθ_ＭＩＮ、最大値（最大角）をθ_ＭＡＸとする。例えばθ_ＭＩＮ＝１０度でありθ_ＭＡＸ＝８０度である。換言すると、回転角θがθ_ＭＩＮとθ_ＭＡＸの範囲に収まるように、構造上の規制部材が設けられている。

ＷＢ長は、回転角θと一対一に対応し、ＷＢ長＝ｆ（θ）の関数により換算できる。つまり、回転角θは、ＷＢ長に連動するパラメータである。したがって、回転角θを変化させることによりＷＢ長を調整できる。走行装置１００は、ユーザ９００が回転角θを大きくすると加速し、小さくすると減速する。つまり、回転角θに対して目標速度が対応付けられており、回転角θが変化すると、それに応じた目標速度に到達するように加減速する。別言すれば、回転角θを媒介変数としてＷＢ長と目標速度が対応付けられており、ユーザ９００がＷＢ長を調整すると、目標速度がそのＷＢ長に応じて変化する構成となっている。

回転角θが小さくなるとＷＢ長が短くなるので、小回りが利く。すなわち、狭い場所でも動き回ることができる。逆に回転角θが大きくなるとＷＢ長が長くなるので、走行安定性、特に直進性が向上する。すなわち、高速で走行しても路面上の段差等による揺動を受けにくい。また、速度とＷＢ長が連動して変化するので、低速なのにＷＢ長が長いような状態になることが無く、その速度で必要最低限な投影面積で移動ができる。すなわち、走行装置１００が移動するために必要な路面上の面積が小さく、余分なスペースを必要としない。これは駐機する場合にも特にその効果を発揮する。また、ユーザ９００は、ハンドル１１５を前後に傾ければ、速度とＷＢ長の両方を連動させて変化させることができるので、運転操作としても簡便で容易である。

図４は、走行装置１００の制御ブロック図である。制御部２００は、例えばＣＰＵであり、本体部１２２に収容されている。駆動輪ユニット２１０は、駆動輪である後輪１０２を駆動するための駆動回路やモータを含み、本体部１２２に収容されている。制御部２００は、駆動輪ユニット２１０へ駆動信号を送ることにより、後輪１０２の回転制御を実行する。

車速センサ２２０は、後輪１０２または車軸１０３の回転量を監視して、走行装置１００の速度を検出する。車速センサ２２０は、制御部２００の要求に応じて、検出結果を速度信号として制御部２００へ送信する。回転角センサ１３４は、上述のように、回転角θを検出する。回転角センサ１３４は、制御部２００の要求に応じて、検出結果を回転角信号として制御部２００へ送信する。

荷重センサ２４０は、ステップ１４１へ加えられる荷重を検出する、例えば圧電フィルムであり、ステップ１４１に埋め込まれている。荷重センサ２４０は、制御部２００の要求に応じて、検出結果を荷重信号として制御部２００へ送信する。

メモリ２５０は、不揮発性の記憶媒体であり、例えばソリッドステートドライブが用いられる。メモリ２５０は、走行装置１００を制御するための制御プログラムの他にも、制御に用いられる様々なパラメータ値、関数、ルックアップテーブル等を記憶している。メモリ２５０は、回転角θを目標速度に変換する変換テーブル２５１を記憶している。

図５は、回転角θを目標速度に変換する変換テーブル２５１の一例としての、回転角θと目標速度の関係を示すグラフである。図示するように、目標速度は回転角θの一次関数として表されており、回転角θが大きくなるにつれて、目標速度が大きくなるように設定されている。最小角θ_ＭＩＮ（度）のときに目標速度は０であり、最大角θ_ＭＡＸ（度）のときに目標速度は最高速度Ｖ_ｍ（ｋｍ／ｈ）である。このように、変換テーブル２５１は、関数形式であっても良い。

図６は、回転角θを目標速度に変換する変換テーブル２５１の他の一例としての、回転角θと目標速度の関係を示すテーブルである。図５の例では、連続的に変化する回転角θに対して連続的に変化する目標速度を対応付けた。図６の例では、連続的に変化する回転角θを複数のグループに区分して、それぞれにひとつの目標速度を対応付ける。

図示するように、回転角θが、θ_ＭＩＮ以上θ_１未満である場合に目標速度０（ｋｍ／ｈ）を対応付け、θ_１以上θ_２未満である場合に目標速度５．０（ｋｍ／ｈ）を対応付け、θ_２以上θ_３未満である場合に目標速度１０．０（ｋｍ／ｈ）を対応付け、θ_３以上θ_ＭＡＸ以下である場合に目標速度１５．０（ｋｍ／ｈ）を対応付ける。このような場合の変換テーブル２５１は、ルックアップテーブル形式を採用することができる。このように目標速度を、ある程度幅を持たせた回転角θの範囲に対応付けると、例えばユーザ９００の体の揺れに影響されて小刻みに目標速度が変わるようなことがなくなり、滑らかな速度変化を期待できる。もちろん、範囲の境界にヒステリシスを持たせても良く、加速時と減速時で範囲の境界を異ならせれば、より滑らかな速度変化を期待できる。

回転角θと目標速度の対応付けは、図５や図６の例に限らず、さまざまな対応付けが可能である。例えば、回転角θの変化量に対する目標速度の変化量を、低速領域においては小さく設定し、高速領域においては大きく設定するといったアレンジも可能である。また、本実施例では、回転角θがＷＢ長と一対一に対応することから、媒介変数である回転角θを目標速度と対応付ける変換テーブル２５１を採用しているが、本来の趣旨通りに、ＷＢ長を目標速度と対応付ける変換テーブルを採用しても良い。この場合は、回転角センサ１３４から取得される回転角θを上述の関数を用いてＷＢ長に換算してから、変換テーブルを参照すれば良い。

次に、本実施例における、走行処理について説明する。図７は、走行中の処理を示すフロー図である。フローは、電源スイッチがオンにされ、荷重センサ２４０から荷重ありの信号を受け取った時点、すなわちユーザ９００が搭乗した時点から開始する。

制御部２００は、ステップＳ１０１で、回転角センサ１３４から回転角信号を取得して現在の回転角θを算出する。そして、ステップＳ１０２で、算出した回転角θを、メモリ２５０から読み出した変換テーブル２５１に当てはめ、目標速度を設定する。

制御部２００は、目標速度を設定したら、ステップＳ１０３へ進み、駆動ユニット２１０へ対して加減速の駆動信号を送信する。具体的には、まず車速センサ２２０から速度信号を受け取り、現在の速度を確認する。そして、目標速度が、現在の速度より大きければ加速する駆動信号を駆動ユニット２１０へ送信し、現在の速度より小さければ減速する駆動信号を駆動ユニット２１０へ送信する。

制御部２００は、加減速中も回転角θが変化したか、つまり、ユーザ９００がハンドル１１５を前後に傾けたかを監視する（ステップＳ１０４）。回転角θが変化したと判断したら、再度ステップＳ１０１からやり直す。変化していないと判断したらステップＳ１０５へ進む。なお、図６のような変換テーブルを採用している場合は、回転角θがひとつの範囲に留まる間は、変化していないと判断する。

制御部２００は、ステップＳ１０５で、車速センサ２２０から速度信号を受け取り、目標速度に到達したか否かを判断する。目標速度に到達していないと判断したら、ステップＳ１０３へ戻り、加減速を継続する。目標速度に到達したと判断したら、ステップＳ１０６へ進む。ステップＳ１０６では、目標速度が０であったか否かを確認する。目標速度が０であったなら、ステップＳ１０６の時点では走行装置１００は停止していることになる。そうでなければ、目標速度により走行中であるので、制御部２００は、その速度で走行を維持するように駆動信号を駆動輪ユニット２１０へ送信する（ステップＳ１０７）。

制御部２００は、ステップＳ１０７で定速走行している間も、回転角θが変化したか、つまり、ユーザ９００がハンドル１１５を前後に傾けたかを監視する（ステップＳ１０８）。回転角θが変化したと判断したら、ステップＳ１０１へ戻る。変化していないと判断したら定速走行を続けるべく、ステップＳ１０７へ戻る。

ステップＳ１０６で目標速度が０であったと確認したら、ステップＳ１０９へ進み、ユーザ９００が降機したかを荷重センサ２４０から受信する荷重信号から判断する。ユーザ９００が降機していない、つまり荷重があると判断したら、走行制御を継続すべくステップＳ１０１へ戻る。降機したと判断したら、一連の処理を終了する。

以上のような走行装置１００によれば、ユーザの操作によりＷＢ長が長くなった場合には、対応付けられた目標速度まで自動的に速度が大きくなるので、操作感が直感的であり従来のような煩雑な操作を必要としない。また、ＷＢ長が短くなった場合にも、後輪が走行方向に対して複数設けられているので、走行面に多少の凹凸が存在しても十分なグリップ力を発揮し、ユーザは安定的に搭乗することができる。つまり、走行装置１００は、いわゆるロッカーボギー機構に類する構造であるので、その利点を享受できる。

また、従来のパーソナルモビリティの構造をそのまま採用すると、ＷＢ長が最短になる動作に合わせて速度を０とする場合に、搭乗しているユーザはバランスを崩してしまうこともあったが、本実施形態の走行装置では、ユーザは複数の後輪によって支えられているので、そのような恐れが少ない。特に降機する状況において、片足を下ろすタイミングで装置を倒してしまうようなことも回避しやすい。

以上本実施形態に係る走行装置１００を説明したが、前輪の数、後輪の数の組み合わせは、１つと４つに限らない。前輪も走行方向、車軸方向に沿ってそれぞれ複数の車輪で構成しても良いし、後輪も走行方向に沿って更に車輪の数を増やしても良い。また、前輪、後輪の少なくとも一部は、車輪でなくても良く、球状輪、クローラなどの接地要素であっても構わない。また、駆動輪を駆動する動力源はモータに限らず、ガソリンエンジンなどであっても構わない。

また、走行装置１００においては、前側支柱１１１と後側支柱１２１を相対的に回転させる回転部としてヒンジを用いたが、これに限らない。ユーザの動作が伝達することにより前側支柱１１１と後側支柱１２１のなす角が変化する回転部であれば、様々な構造を採用し得る。例えば、前側支柱１１１と後側支柱１２１を板バネなどの弾性部材で接続する構造であっても、前側支柱１１１に接続されたハンドル１１５を前後に傾斜させることで前側支柱１１１と後側支柱１２１のなす角を変化させることができる。

１００走行装置、１０１前輪、１０２後輪、１０３車軸、１１０前輪支持部材、１１１前側支柱、１１２フォーク、１１５ハンドル、１２１後側支柱、１２２本体部、１２３台車継手、１３１旋回継手、１３２ヒンジ継手、１３３付勢バネ、１３４回転角センサ、１４１ステップ、２００制御部、２１０駆動輪ユニット、２２０車速センサ、２３０ＷＢ調整機構、２４０荷重センサ、２５０メモリ、２５１変換テーブル、９００ユーザ

Claims

ユーザが搭乗して走行する走行装置であって、
前輪を回転可能に支持する前輪支持部材と、
走行方向に並ぶ複数の後輪のそれぞれを回転可能に支持する台車基体と、
前記台車基体に設置された前記ユーザの搭乗部と、
前記複数の後輪のそれぞれの回転軸と平行な揺動軸周りに前記台車基体に揺動可能に軸支された後輪支持部材と、
前記前輪および前記複数の後輪のうちの少なくともひとつを駆動する駆動部と、
前記前輪支持部材と前記後輪支持部材を相対的に回転させる回転部を含み、前記ユーザの動作が伝達することにより前記前輪支持部材と前記後輪支持部材のなす角が変化して、前記前輪と前記複数の後輪のホイールベース長が調整される調整機構と、
前記ホイールベース長に連動するパラメータに対応付けられた目標速度に基づいて前記駆動部を制御する制御部と
を備える走行装置。