(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
走行中の自転車の重心位置を検出するための重心識別特徴を備える自転車であって、
前記重心識別特徴は、少なくとも前記自転車の静止状態において前記自転車の重心位置に位置し、
前記重心識別特徴は、前記自転車のフレームから突出する取付部材に対して取り付けられたマーカーであり、前記マーカーは可動式である、自転車。
【請求項２】
前記マーカーは、前記自転車のハンドルの舵角に基づく制御により移動される、請求項1に記載の自転車。
【請求項３】
少なくとも、静止状態における自転車全体の重心位置が既知である自転車について、走行中の自転車全体の重心位置を検出するための重心計測システムであって、
前記自転車のハンドルの舵角を検出するハンドル舵角検出部と、
前記ハンドル舵角と、静止状態における前記自転車全体の重心位置とに基づいて、走行中の前記自転車全体の重心位置を検出する重心位置検出部と、
を備える、重心計測システム。
【請求項４】
前記自転車について、さらに、静止状態における前輪系及び後輪系の重心位置が既知であり、
前記重心位置検出部は、さらに、検出した前記ハンドル舵角と、静止状態における前記自転車の前輪系の重心位置と、に基づいて、走行中の前記自転車の前輪系の重心位置を検出し、該走行中の前記自転車の前輪系の重心位置と、静止状態における前記自転車の後輪系の重心位置と、静止状態における前記自転車全体の重心位置と、に基づいて、走行中の前記自転車全体の重心位置を検出することを特徴とする、請求項３に記載の重心計測システム。
【請求項５】
さらに、前記自転車に対して該自転車の静止状態における重心位置に取り付けられた重心識別特徴を、検出した走行中の前記自転車全体の重心位置に移動させる重心識別特徴移動部を備える、請求項３又は４に記載の重心計測システム。
【請求項６】
少なくとも、静止状態における自転車全体の重心位置が既知である自転車について、走行中の自転車全体の重心位置を検出するための重心計測方法であって、
前記自転車のハンドルの舵角を検出するステップと、
前記ハンドル舵角と、静止状態における前記自転車全体の重心位置とに基づいて、走行中の前記自転車全体の重心位置を検出するステップと、
を含む、重心計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走行時の重心を検出するための、自転車、重心計測システム、および重心計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー資源保全の意識や健康志向の高まりなどにより、移動手段として、またはスポーツ目的での自転車の利用が増加傾向にある。これに伴い、自転車の種類や用途も多様化してきている。自転車のフレーム形状や車輪の大きさが異なることで、各種類の自転車についての走行時の安定状態も異なってくる。自転車の安定状態を評価するにあたって、例えば、自転車の質量、ホイールベース、車輪半径、および重心位置などが用いられてきた。ここで、自転車の重心位置は、自転車の走行中に操縦者によってハンドルが切られることに従って変動する。
【０００３】
従来、自転車の重心を計測する手法としては、懸垂法や秤量法などが用いられてきた（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１に記載の懸垂法では、被測定物の一点Ａをロープで吊し、当該点Ａから重りを下げて鉛直線上の他の一点Ｂを定める。次いで、点Ａ及び点Ｂとは異なる点Ｃをロープで吊し、当該点Ｃから重りを下げて鉛直線上の他の一点Ｄを定める。そして、直線Ａ−Ｂと直線Ｃ−Ｄが交差する点を重心として定める。また、非特許文献１に記載の秤量法では、後輪を直立固定するように支持し、前輪を上下させた場合の荷重を秤で測定することにより、重心位置を算出する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】大矢多喜雄、「自転車に対する運動力学について」、自振協技術研究所報告、p.1-8、1978年、No.2
【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、非特許文献１に記載の懸垂法や秤量法では、静止状態の自転車の重心位置を計測できるが、自転車の走行中の重心位置の変動を計測することはできなかった。
【０００６】
したがって、かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、自転車の走行中の重心位置を計測することができる、自転車、重心計測システム、および重心計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する本発明に係る自転車は、走行中の自転車の重心位置を検出するための重心識別特徴を備える自転車であって、前記重心識別特徴は、少なくとも前記自転車の静止状態において前記自転車の重心位置に位置し、前記重心識別特徴は、前記自転車のフレームから突出する取付部材に対して取り付けられたマーカーであり、前記マーカーは可動式である、ことを特徴とするものである。
【０００８】
本発明による自転車を用いた所定の計測により、自転車の走行中の重心位置を計測することができ、さらに、自転車の走行中の重心位置の変動を可視化することができる。
【００１１】
また、本発明に係る自転車において、前記マーカーは、前記自転車のハンドルの舵角に基づく制御により移動されることが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、走行中に操縦者がハンドルを切ったことにより変動した、自転車の重心位置を可視化することができる。
【００１３】
上記目的を達成する本発明に係る重心計測システムは、少なくとも、静止状態における自転車全体の重心位置が既知である自転車について、走行中の自転車全体の重心位置を検出するための重心計測システムであって、前記自転車のハンドルの舵角を検出するハンドル舵角検出部と、前記ハンドル舵角と、静止状態における前記自転車全体の重心位置とに基づいて、走行中の前記自転車全体の重心位置を検出する重心位置検出部と、を備えることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明による重心計測システムによれば、走行中に操縦者がハンドルを切ったことにより変動した、自転車の走行中の重心位置を計測することができる。
【００１５】
また、本発明に係る重心計測システムにおいて、前記自転車について、さらに、静止状態における前輪系及び後輪系の重心位置が既知であり、前記重心位置検出部は、さらに、検出した前記ハンドル舵角と、静止状態における前記自転車の前輪系の重心位置と、に基づいて、走行中の前記自転車の前輪系の重心位置を検出し、該走行中の前記自転車の前輪系の重心位置と、静止状態における前記自転車の後輪系の重心位置と、静止状態における前記自転車全体の重心位置と、に基づいて、走行中の前記自転車全体の重心位置を検出することが好ましい。
【００１６】
この構成によれば、走行中に操縦者がハンドルを切ったことにより変動した、自転車の重心位置をより精密に計測することができる。
【００１７】
また、本発明に係る重心計測システムにおいて、さらに、前記自転車に対して該自転車の静止状態における重心位置に取り付けられた重心識別特徴を、検出した走行中の前記自転車全体の重心位置に移動させる重心識別特徴移動部を備えることが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、走行中に操縦者がハンドルを切ったことにより変動した、自転車の重心位置を計測し、さらに、変動した重心位置を可視化することができる。
【００１９】
上記目的を達成する本発明に係る重心計測方法は、少なくとも、静止状態における自転車全体の重心位置が既知である自転車について、走行中の自転車全体の重心位置を検出するための重心計測方法であって、前記自転車のハンドルの舵角を検出するステップと、前記ハンドル舵角と、静止状態における前記自転車全体の重心位置とに基づいて、走行中の前記自転車全体の重心位置を検出するステップと、を含むことを特徴とするものである。
【００２０】
本発明による重心計測方法によれば、自転車の走行中の重心位置を計測することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、自転車の走行中の重心位置を計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態による自転車の側面図である。
【図２】本発明の一実施形態による重心計測システムを装着した自転車の側面図である。
【図３】図２に示す自転車における重心識別特徴を移動させる制御機構の概略構成を説明するための機能ブロック図である。
【図４】ハンドル舵角、前輪系重心、および後輪系重心に基づく自転車全体の重心の検出方法を説明する平面模式図である。
【図５】本発明の一実施形態による重心計測方法を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明による自転車、重心計測システム、および重心計測方法の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
図１は、本発明の一実施形態による自転車の側面図である。本実施形態による自転車１は、重心識別特徴２および取付部材３を備える。取付部材３は、例えば治具により構成される。重心識別特徴２は、自転車１の重心位置を検出するために備えられており、少なくとも自転車１の静止状態において自転車１の重心位置またはそのごく近傍に位置するように配置されている。本明細書において、「静止状態」とは、計測の簡略化の観点から、ハンドル舵角が０°で、平面視で前輪と後輪が同一直線上にあるように静止させた状態として説明するが、前後輪が同一直線上に無いように静止させた状態とすることももちろん可能である。自転車１の重心位置は、例えば、上述した懸垂法や秤量法により測定する。重心識別特徴２は、自転車１のフレームから軸状に突出する取付部材３に対して取り付けられた重心マーカーにより構成されている。重心マーカーは、例えば、白色球状のマーカーであり、それ自体の重さにより自転車１の重心位置を実質的に変化させない程度に軽量の素材で構成される。同様に、取付部材３も軽量の素材で構成される。
【００２５】
自転車１は、通常の自転車と同様に、ハンドル４、およびシート１０、を備え、さらに、ハンドルステム５、ヘッドチューブ６、フォークステム７、フォーク８、ダウンチューブ９、シートチューブ１１、シートステー１２、およびチェーンステー１３などにより構成されるフレームを備える。
【００２６】
以下、本明細書で自転車１について「前輪系」および「後輪系」という用語を用いるが、前輪系は、ハンドル４と、ハンドルステム５、フォークステム７、およびフォーク８などのフレーム構成要素とを含んで構成される。また、後輪系は、シート１０と、ダウンチューブ９、シートチューブ１１、シートステー１２、チェーンステー１３などのフレーム構成要素とを含んで構成される。なお、前輪系及び後輪系の構成要素はこの限りではない。
【００２７】
自転車１のように静止状態における重心位置に配置されたマーカーを有する自転車を利用して、例えば、モーションキャプチャシステム等を用いた３次元空間上における画像計測を実施することで、走行中の自転車１の重心位置を計測することが可能になる。さらに、自転車１は重心識別特徴２を構成するただ一つのマーカーにより重心位置を可視化したものであるため、複数のマーカーを自転車に取り付けてモーションキャプチャシステムにより重心位置を計測する場合に比べて、障害物や自転車１の操縦者などの影になってマーカーが隠れてしまう恐れが低減される。したがって、重心位置の計測精度を向上させることができる。自転車１の重心識別特徴２は、以下に説明する計測システム及び計測方法において使用して、走行中の自転車の重心位置の計測に用いることができる。
【００２８】
図２は、本発明の一実施形態による重心計測システムを装着した自転車の側面図である。本発明の一実施形態による重心計測システムは、静止状態における重心位置が既知である自転車２０について、走行中の重心位置を検出するものである。静止状態における前輪系、後輪系、および自転車２０全体の重心位置は、例えば、懸垂法や秤量法により測定されて既知であり、予め重心位置検出部１５に記憶されるか、又は図示しない記憶部に記憶され、当該記憶部に重心位置検出部１５が適宜アクセスすることによって必要に応じて取得される。なお、自転車２０の前輪系および後輪系の構成要素は、図１に示す自転車１と同様である。
【００２９】
重心計測システムは、ハンドル舵角検出部１４および重心位置検出部１５を備える。ハンドル舵角検出部１４は、自転車２０のハンドル４の舵角を検出するものであり、例えば、ロータリーエンコーダにより構成される。重心位置検出部１５は、検出したハンドル４の舵角と、既知である静止状態における自転車２０全体の重心位置とに基づいて、走行中の自転車２０全体の重心位置を検出するものであり、演算機能を有するプロセッサ、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）などで構成される。重心位置検出部１５は、静止状態の自転車２０全体の重心位置を、取付部材３によって重心識別特徴２が自転車２０のフレームを構成するシートチューブ１１に対して取り付けられる位置（以下、重心識別特徴取り付け位置という）を中心として、ハンドル４の舵角だけ回転させた位置を走行中の自転車の重心位置として検出する。このようにして、本実施形態による重心計測システムは、走行中に操縦者がハンドルを切ったことにより変動した、自転車の近似的な重心位置を計測することができる。なお、この実施形態による走行中の自転車の重心位置の検出は、専らハンドル４の舵角に基づくものであるため、走行面上に投影した自転車２０の近似的な重心位置を検出するものである。
【００３０】
重心計測システムは、さらに、重心識別特徴移動部１６を備えることもできる。重心識別特徴移動部１６は、自転車２０に対して、当該自転車２０の静止状態における重心位置に取り付けられた重心識別特徴２を、重心位置検出部１５により検出した走行中の自転車全体の重心位置に移動させる。かかる構成を備えることで、重心計測システムは、走行中に操縦者がハンドル４を切ったことにより変動した、自転車２０の重心位置を可視化することができる。これにより、多数のマーカーを自転車２０に対して取り付けることなく、重心に関しては、１つのマーカーを自転車２０に対して取り付けるだけで、走行中の自転車２０の重心位置を計測することが可能となる。言い換えれば、多数のマーカーの位置を検出して検出した位置情報に基づいて重心位置を算出する必要なく、重心を表す１つのマーカーの位置情報を取得するだけで、走行中の自転車の重心位置を簡易に計測することが可能となる。
【００３１】
図３は、図２に示す自転車における重心マーカーを移動させる制御機構の概略構成を説明するための機能ブロック図である。ハンドル舵角検出部１４は、例えば、ロータリーエンコーダにより構成され、ハンドル４の舵角θを検出する。次いで、重心位置検出部１５の演算部２１が舵角θに基づいて走行中の自転車２０全体の重心位置を、重心識別特徴取り付け位置を中心とする角度として算出し、Φcommandとしてオペアンプ２２に出力する。なお、上に説明した実施形態では、Φcommand＝θである。そして、オペアンプ２２は、重心識別特徴２の回転角度Φのフィードバック値と、Φcommandとの差分をモータ２３の駆動電圧とするために所定の割合で増幅する。モータ２３はオペアンプ２２より入力された電圧値に基づいて駆動され、重心識別特徴回転角度Φだけ、重心識別特徴２を移動させる。この重心識別特徴回転角度Φは、ロータリーエンコーダ２４によって、フィードバック値としてオペアンプ２２に入力される。モータ２３およびロータリーエンコーダ２４は、重心識別特徴移動部１６を構成する。このようにして、重心識別特徴２をハンドル４の舵角θの変化に応じて、移動させることができる。
【００３２】
さらに、重心位置検出部１５は、ハンドル舵角検出部１４により検出したハンドル４の舵角と、自転車２０の静止状態における自転車２０の前輪系の重心位置と、に基づいて、走行中の自転車２０の前輪系の重心位置を検出し、当該走行中の前輪系の重心位置と、静止状態における後輪系の重心位置と、静止状態における自転車２０全体の重心位置と、に基づいて、走行中の自転車２０全体の重心位置を検出するように構成することもできる。
【００３３】
このような構成の場合の自転車２０全体の重心位置の検出方法について以下に図４を参照して説明する。図４は、ハンドル舵角、前輪系重心、および後輪系重心に基づく自転車の全体重心の検出方法を説明する図である。図４において、Ｇｆは前輪系重心、ＧＴは自転車２０の全体重心、Ｇｒは後輪系重心をそれぞれ地面等の自転車の走行面に投影した位置を表す。図上、θはハンドル舵角、Φは全体重心の重心識別特徴取り付け位置を中心とする回転角、Ｈ０はハンドルを切っていない状態における仮想ハンドルライン、Ｈ１はハンドルを舵角θだけ切った状態における仮想のハンドルラインを示す。自転車の全体重心ＧＴは、図１および図２において重心識別特徴２に対応するものである。ここで、ハンドルラインとは、ハンドル４の回転状態を示す、走行面上に投影したハンドル４の回転中心を通る仮想の直線を意味する。
【００３４】
ハンドルの回転に伴い、ハンドルラインがＨ０からＨ１に変化し、前輪系重心Ｇｆがハンドル舵角θだけ回転した状態の重心である回転前輪系重心Ｇｆ１となる。そこで、予め計測済みで既知である後輪系重心Ｇｒと回転前輪系重心Ｇｆ１とを直線で結びその直線上に全体重心ＧＴがくるような回転角Φを算出することができる（全体重心ＧＴが回転角Φだけ回転した状態の重心を回転全体重心ＧＴ１として示す）。さらに精密には、後輪系重心Ｇｒから全体重心ＧＴまでの距離に対する、全体重心ＧＴから前輪系重心Ｇｆまでの距離の比率と、後輪系重心Ｇｒから回転全体重心ＧＴ１までの距離に対する、回転全体重心ＧＴ１から回転前輪系重心Ｇｆ１までの距離の比率とが同一であることに着目して、回転全体重心ＧＴ１の位置を算出することももちろん可能である。この場合、図３を参照して上述した重心マーカーを移動させる制御機構は、回転角ΦをΦcommandとして、マーカーを移動させる。
【００３５】
図５は、本発明の一実施形態による重心計測方法を説明するためのフローチャートである。ここでは自転車の静止状態における全体重心、前輪系重心、及び後輪系重心は予め計測され、既知であるものとし、計測された各重心の位置情報は、本実施形態による重心計測システムの重心位置検出部１５に記憶されるか、当該重心位置検出部１５からアクセス可能な記憶装置に記憶されており、重心位置検出部１５により必要に応じて参照可能である。
【００３６】
先ず、ハンドル舵角検出部１４は、走行中の自転車２０のハンドル４の舵角を検出する（ステップS０１）。次いで、重心位置検出部１５は、ステップS０１で検出されたハンドル４の舵角を、静止状態における自転車２０の前輪系重心の位置情報に適用して、走行中の自転車２０の前輪系の重心位置を検出する（ステップS０２）。さらに、重心位置検出部１５は、図４を参照して説明したような方法により、ステップS０２にて検出した走行中の自転車２０の前輪系の重心位置の情報と、静止状態における自転車２０の後輪系重心および全体重心の位置情報とに基づいて、走行時の自転車２０全体の重心位置を検出する（ステップＳ０３）。これらの一連の処理を、自転車２０の走行中の所望時点において行うことで、走行中の自転車２０の重心位置を計測することができる。さらには、これらの一連の処理を自転車２０の走行中に一定間隔でまたは連続的に繰り返すことで、走行中の自転車２０における重心位置の経時変化を計測することが可能となる。
【００３７】
なお、重心位置検出部１５は、ステップS０１で検出されたハンドル４の舵角を自転車２０全体の重心位置（すなわち、図１および図２に示す重心識別特徴２）に直接適用して、走行中の自転車２０全体の近似的な重心位置を検出することももちろん可能である。
【００３８】
本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。従って、本発明は、上述の実施形態によって制限されるものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
【００３９】
例えば、上記実施形態では重心計測システムを構成する重心位置検出部１５は自転車２０のフレームに取り付けられるものとして構成したが、重心位置検出部１５を、自転車２０とは独立した、コンピュータにより実装することももちろん可能である。この場合、舵角検出部およびコンピュータは無線ユニットを有し、無線通信によりハンドル舵角を送受信するように構成される。かかる構成とすることで、自転車２０に取り付ける計測機器を最小限として、重心計測システムが転倒などにより故障する可能性を低減することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１，２０      自転車
２            重心識別特徴
３            取付部材
４            ハンドル
１１            シートチューブ
１４，２１      ハンドル舵角検出部
１５，２２      重心位置検出部
１６            重心識別特徴移動部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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