JP2007331499A - 車輪の形状を決定する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】車の性能を向上させるような車輪の形状を提供することができる。
【解決手段】車体と、該車体に回転可能に設けられた車輪と、を有する車であって、該車の姿勢を復帰させるために前記姿勢を制御する姿勢制御機構、の制御により、前記車体及び前記車輪が横に傾いた傾斜状態から非傾斜状態へ前記姿勢を復帰させることが可能な車、の前記車輪の形状を決定する方法であって、前記車の姿勢復帰性能を設定するために、どの状態の前記姿勢を前記非傾斜状態へ復帰させるかを決定するステップと、この決定結果と前記姿勢制御機構の制御能力を示すパラメータとに基づいて、前記車輪の形状を決定するステップと、を有することを特徴とする車輪の形状を決定する方法。
【選択図】図５

Description

本発明は、車輪の形状を決定する方法に関する。

車体と、該車体に回転可能に設けられた車輪と、を有する車であって、該車の姿勢を制御するための姿勢制御機構の制御により、前記車体及び前記車輪が横に傾いた傾斜状態から非傾斜状態へ前記姿勢を復帰させることが可能な車は既に知られている。
特開２００５−３３５５１３号公報

ところで、従来、前記車輪の形状は、例えば、汎用性、量産性、デザイン性等の観点から決定されていた。

しかしながら、前記車輪の形状は車の性能に影響を及ぼし、特に、傾斜状態にある前記姿勢の非傾斜状態への復帰の可否は、前記車輪の形状に依存する。よって、前述した観点から決定された形状の車輪が前記車に備えられる場合、前記傾斜状態の姿勢が、前記姿勢制御機構の制御により、非傾斜状態へ適切に復帰できなくなる虞があるため、前記車の性能を向上させることが困難となる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、車の性能を向上させるような車輪の形状を提供することである。

主たる本発明は、車体と、該車体に回転可能に設けられた車輪と、を有する車であって、該車の姿勢を復帰させるために前記姿勢を制御する姿勢制御機構、の制御により、前記車体及び前記車輪が横に傾いた傾斜状態から非傾斜状態へ前記姿勢を復帰させることが可能な車、の前記車輪の形状を決定する方法であって、前記車の姿勢復帰性能を設定するために、どの状態の前記姿勢を前記非傾斜状態へ復帰させるかを決定するステップと、この決定結果と前記姿勢制御機構の制御能力を示すパラメータとに基づいて、前記車輪の形状を決定するステップと、を有することを特徴とする車輪の形状を決定する方法である。

本発明の他の特徴については、本明細書及び添付図面の記載により明らかにする。

本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも次のことが明らかにされる。

車体と、該車体に回転可能に設けられた車輪と、を有する車であって、該車の姿勢を復帰させるために前記姿勢を制御する姿勢制御機構、の制御により、前記車体及び前記車輪が横に傾いた傾斜状態から非傾斜状態へ前記姿勢を復帰させることが可能な車、の前記車輪の形状を決定する方法であって、前記車の姿勢復帰性能を設定するために、どの状態の前記姿勢を前記非傾斜状態へ復帰させるかを決定するステップと、この決定結果と前記姿勢制御機構の制御能力を示すパラメータとに基づいて、前記車輪の形状を決定するステップと、を有することを特徴とする車輪の形状を決定する方法。
このような車輪の形状の決定方法によれば、車の性能を向上させるような車輪の形状を提供することができる。

また、前記車が備える車輪の数は、一つであることとしてもよい。
このようにすれば、車の姿勢は傾斜状態になり易く、前記姿勢を適切に非傾斜状態へ復帰させる必要があるため、本発明の効果がより有意義なものとなる。

また、前記車は、前記姿勢制御機構として、その回転軸周りに回転可能なホイール、を有したコントロールモーメントジャイロ、を備えていることとしてもよい。
このようにすれば、コントロールモーメントジャイロの制御能力に応じて、適切に車輪の形状を決定することができる。

また、前記ホイールの回転軸は、前記車輪の回転軸に沿っていることとしてもよい。

また、前記車輪が備え、該車輪の回転軸の下方に位置し、前記車の動作中に接地可能な接地部と、前記車輪の回転軸を含み、その法線の方向が水平方向となる仮想平面と、の交線は円弧であり、前記車輪の形状を決定するステップにおいては、前記車輪の形状として、前記円弧の曲率半径を決定することとしてもよい。

また、前記車は、前記車体が前後方向に倒れた倒れ状態から非倒れ状態へ該車の姿勢を復帰させるために前記車輪の回転を制御する回転制御機構、を備え、前記車の姿勢復帰性能を設定するために、どの倒れ状態の前記姿勢を前記非倒れ状態へ復帰させるかを決定するステップと、この決定結果と前記回転制御機構の制御能力を示すパラメータとに基づいて、前記車輪の形状として前記車輪の外径を決定するステップと、を有することとしてもよい。
このようにすれば、倒れ状態にある前記姿勢を非倒れ状態へ適切に復帰させることが可能となる。

また、どの状態の前記姿勢を前記非傾斜状態へ復帰させるかを決定するステップにおいては、どの前記傾斜状態及び前記倒れ状態の前記姿勢を復帰させるかを決定することとしてもよい。
このようにすれば、どの前記傾斜状態及び前記倒れ状態の前記姿勢を復帰させるかが明確になり、前記姿勢が傾斜状態かつ倒れ状態になった際に発生する回転モーメントの影響を考慮することができるため、より適切に前記車輪の形状を決定することができる。

また、前記姿勢制御機構の制御能力を示すパラメータは、前記ホイールの最大回転数と、該ホイールの直径と、該ホイールを保持し回転可能なジンバル、の回転を制御するジンバルモータの最大出力と、を含んでいることとしてもよい。

また、前記回転制御機構は、前記車輪を回転させるための駆動モータであり、前記回転制御機構の制御能力を示すパラメータは、前記駆動モータの最大出力、を含んでいることとしてもよい。

さらに、車体と、該車体に回転可能に設けられた車輪と、を有する車であって、該車の姿勢を復帰させるために前記姿勢を制御する姿勢制御機構、の制御により、前記車体及び前記車輪が横に傾いた傾斜状態から非傾斜状態へ前記姿勢を復帰させることが可能な車、の前記車輪の形状を決定する方法であって、前記車の姿勢復帰性能を設定するために、どの状態の前記姿勢を前記非傾斜状態へ復帰させるかを決定するステップと、この決定結果と前記姿勢制御機構の制御能力を示すパラメータとに基づいて、前記車輪の形状を決定するステップと、を有し、前記車が備える車輪の数は、一つであり、前記車は、前記姿勢制御機構として、その回転軸周りに回転可能なホイール、を有したコントロールモーメントジャイロ、を備えており、前記ホイールの回転軸は、前記車輪の回転軸に沿っており、前記車輪が備え、該車輪の回転軸の下方に位置し、前記車の動作中に接地可能な接地部と、前記車輪の回転軸を含み、その法線の方向が水平方向となる仮想平面と、の交線は円弧であり、前記車輪の形状を決定するステップにおいては、前記車輪の形状として、前記円弧の曲率半径を決定し、前記車は、前記車体が前後方向に倒れた倒れ状態から非倒れ状態へ該車の姿勢を復帰させるために前記車輪の回転を制御する回転制御機構、を備え、前記車の姿勢復帰性能を設定するために、どの倒れ状態の前記姿勢を前記非倒れ状態へ復帰させるかを決定するステップと、この決定結果と前記回転制御機構の制御能力を示すパラメータとに基づいて、前記車輪の形状として前記車輪の外径を決定するステップと、を有し、どの状態の前記姿勢を前記非傾斜状態へ復帰させるかを決定するステップにおいては、どの前記傾斜状態及び前記倒れ状態の前記姿勢を復帰させるかを決定し、前記姿勢制御機構の制御能力を示すパラメータは、前記ホイールの最大回転数と、該ホイールの直径と、該ホイールを保持し回転可能なジンバル、の回転を制御するジンバルモータ、の最大出力と、を含んでおり、前記回転制御機構は、前記車輪を回転させるための駆動モータであり、前記回転制御機構の制御能力を示すパラメータは、前記駆動モータの最大出力、を含んでいることを特徴とする車輪の形状を決定する方法。
かかる方法は、既述の総ての効果を奏するため、本発明の目的がより有効に達成される。

＝＝＝車の構成例＝＝＝
次に、図１乃至図４を用いて、本実施の形態に係る車の構成例について、その概要を説明する。なお、本実施の形態においては、車の一例として、その車輪の数が一つである一輪車２について説明する。図１は、前記一輪車２の外観を示した斜視図である。図２は、一輪車２の主要構成要素として該一輪車２に設けられた、車体４、車輪８、コントロールモーメントジャイロ３０（以下、省略して、ＣＭＧとも呼ぶ）等の側面を模式的に示した図である。図３は、図２に示された一輪車２の前記主要構成要素を、図２中、記号Ａ−Ａにて示す断面で切断したときの模式断面図である。図４は、車輪８の斜視図である。

また、図１においては、座標軸が示されている。ここでは、一例として、一輪車２の前後方向をＸ軸、一輪車２に備えられた車輪８の回転軸８ａの軸方向をＹ軸、一輪車２の上下方向をＺ軸とする。また、図２においては、矢印にて、一輪車２の前後方向（すなわち、図１におけるＸ軸方向）と、一輪車２の上下方向（すなわち、図１におけるＺ軸方向）とが示されている。また、図３には、矢印にて、車輪８の回転軸８ａの軸方向（すなわち、図１におけるＹ軸方向）と、一輪車２の上下方向（すなわち、図１におけるＺ軸方向）とが、それぞれ示されている。また、図４には、矢印にて、車輪８の回転軸８ａの軸方向が示されている。

また、本項以降においては、車体４及び車輪８（より正確には、車体４、ＣＭＧ３０、及び車輪８）が横に傾いた状態、すなわち、車体４及び車輪８がＸ軸回りに回転するように傾斜した状態を傾斜状態と呼ぶこととする。また、前記車体４（より正確には、車体４及びＣＭＧ３０）が前後方向に倒れた状態、すなわち、車体４がＹ軸回りに回転するように倒れた状態を倒れ状態と呼ぶこととする。そして、車輪８の回転軸８ａが水平方向に沿った状態（すなわち、非傾斜状態）であり、かつ、ジンバル３４の回転軸３４ａが鉛直方向に沿った状態（すなわち、非倒れ状態）である状態を、直立状態と呼ぶこととする。なお、図１乃至図３に示された一輪車２の姿勢は、前記直立状態の姿勢である。

一輪車２は、図１に示すように、車輪８と、車体４と、姿勢制御機構の一例としてのＣＭＧ３０と、回転制御機構である駆動モータの一例としての内部モータ６０とを備えている。

車輪８は、後述する車体４に回転軸８ａ回りに回転可能に設けられている。この車輪８は、図４に示すように、円樽状の形状を有し、金属製の内筒８ｂと、該内筒８ｂの軸方向（すなわち、車輪８の回転軸８ａの軸方向）の中央部において、前記内筒８ｂの外周面を覆うゴム部８ｃとを備えている。また、内筒８ｂの前記軸方向の長さは、ゴム部８ｃの前記軸方向の長さよりも長くなっており、前記内筒８ｂの前記軸方向の両端部は、車体４によって、回転軸８ａ回りに回転可能に支持されている。一方、前記ゴム部８ｃの外径は、該内筒８ｂの外径よりも大きくなっている。また、前記車輪８の外径（より正確には、ゴム部８ｃの外径）は、前記軸方向の中央部から端部に向かうにしたがって短くなっている。すなわち、本実施の形態において、前記軸方向の中央における前記外径が、車輪８の最大外径（図３中、記号ｒにて示す）である。また、前記内筒８ｂの内部には、後述する内部モータ６０が設けられている。そして、この内部モータ６０から駆動力が伝達されることによって、前記車輪８は回転する。

また、車輪８は、一輪車２の動作中に地面に接地可能な接地部８ｄを備えている。そして、本実施の形態においては、図２及び図３に示すように、前記接地部８ｄは前記ゴム部８ｃの周面全体である。すなわち、該ゴム部８ｃの周面は、前記軸方向の一端部から他端部に亘って接地可能である。そして、前記一輪車２は、前記車輪８が前記接地部８ｄを接地させた状態で回転することにより走行し、例えば、図２中、記号Ｆで示す回転方向に車輪８が回転すると、前記一輪車２は前進する。また、前記接地部８ｄは、前記回転軸８ａの下方に位置し、一輪車２の動作中に接地可能な前記接地部８ｄの一例としての第一接地部８ｆと、前記回転軸８ａの上方に位置する前記接地部８ｄとしての第二接地部８ｇとを有している。そして、当然のことながら、前記車輪８の、前記第一接地部８ｆに相当する部分と、前記第二接地部８ｇに相当する部分とは、前記車輪８の回転によって切り替わる。

一方、図３に示すように、前記ゴム部８ｃの前記軸方向の両端面には、前記一輪車２の動作中、地面に接地しない非接地部８ｅが備えられている。そして、該非接地部８ｅは、前記接地部８ｄに隣接している。すなわち、前記車体４及び車輪８が、前記第一接地部８ｆの前記軸方向の一端部、又は他端部が接地した状態よりも横に傾くと、前記姿勢を非傾斜状態へ復帰させることが不可能になる。

また、前記車輪８の回転軸８ａを含み、その法線方向が水平方向（すなわち、図２に示された一輪車２の前後方向）となる仮想平面（図２中、記号Ａ−Ａで示す直線を含み、紙面と直交する平面）を第一平面とすると、該第一平面と前記第一接地部８ｆとの交線としての第一交線１００の形状は、図３に示すように、曲率半径Ｒの円弧である（図３参照）。なお、前記第一交線１００の中央１０３を通り、車輪８の回転軸８ａと交差する仮想直線（すなわち、図３において、ジンバル３４の回転軸３４ａと重なる仮想直線）を前記第一交線１００の中心線とすると、該中心線を境界として、前記軸方向の一端側にある前記第一交線１００の形状と、他端側にある前記第一交線１００の形状とはほぼ線対称となっている。また、本実施の形態では、前記円弧の曲率中心Ｃはほぼ前記中心線上に位置している（図３参照）。また、当然のことながら、前記第二接地部８ｇと前記第一平面との交線である第二交線１１０も円弧となっている。さらに、前記非接地部８ｅと前記第一平面との交線である第三交線１２０は直線となっている。

車体４は、金属製の構造物であり、その内部に車輪８の一部分を収容し、該車輪８を回転可能に支持している。また、車体４の長手方向（すなわち、前記車輪８の回転軸８ａに沿う方向）の一端面には、一輪車２の重心（図２及び図３において、記号Ｍにて示す）の位置を調整するためのカウンタバランス９が設けられている。また、このカウンタバランス９は、図１に示すように、輪状の金属錘である。そして、本実施に係る一輪車２の重心Ｍは、前記カウンタバランス９を取り付けることによって、図２及び図３に示すように、ほぼ前記第一平面上に位置し、かつ、ほぼ前記第一交線１００の中心線上（すなわち、Ｚ軸上）に位置している。なお、本実施の形態においては、前記カウンタバランス９は、前記車体４の、前記回転軸８ａに沿う方向における端部に設けられていることとしたが、これに限定されるものではなく、例えば、前記車輪８の内筒８ｂの内部に設けられていることとしてもよい。

ＣＭＧ３０は、一輪車２の姿勢を復帰させるために該姿勢を制御するものであり、図１等に示すように、車体４の上部に取り付けられている。このＣＭＧ３０は、高速回転するホイール３２（通称、フライホイールと呼ばれる）と、当該ホイール３２を保持し、回転軸３４ａ回りに回転可能なジンバル３４と、該ジンバル３４を支持し、該ジンバル３４と一体的に回転軸３４ａ回りに回転するターンテーブル３６と、前記ジンバル３４の回転を制御するジンバルモータ３８と、を備えている。また、定常状態時、前記ホイール３２の回転軸３２ａは、車輪８の回転軸８ａ、すなわち、図１に示されるＹ軸に沿っており、ジンバル３４の回転軸３４ａは、前記回転軸８ａと交差している（換言すると、図１におけるＺ軸に沿っている）。そして、前記ホイール３２は前記ジンバル３４に回転可能に支持された状態で、不図示の駆動機構から駆動力が伝達されることにより、所定の回転方向（図２において、矢印にて示される方向）に回転する。また、前記ジンバルモータ３８と前記ターンテーブル３６とはベルトにより連結されており、ベルト・プーリ機構によって、前記ジンバルモータ３８からターンテーブル３６へ駆動力が伝達されると、前記ジンバル３４と前記ターンテーブル３６とが一体的に回転軸３４ａ回りに回転する。ただし、ジンバル３４へ駆動力を伝達する機構は、ベルト・プーリ機構に限定されるものではなく、例えば、ギア等により前記駆動力が伝達されてもよい。

そして、本実施の形態に係るＣＭＧ３０は、前記一輪車２の姿勢を傾斜状態から非傾斜状態へ復帰させる制御能力を備えている。つまり、本実施の形態に係る一輪車２は、ＣＭＧ３０の制御により、前記傾斜状態から前記非傾斜状態へ前記姿勢を復帰させることが可能である。例えば、直立状態の姿勢の一輪車２に、前記車体４及び前記車輪８を横に傾けるような（すなわち、Ｘ軸回りに回転させるような）外力が働くと、前記姿勢は直立状態から傾斜状態へ変化する。そして、この姿勢変化が検知されると、前記姿勢を直立状態へ復帰させるために、ホイール３２が高速回転している状態で、該ホイール３２を保持したジンバル３４が、ターンテーブル３６と一体的に回転軸３４ａ回りに回転する。これにより、ホイール３２の回転軸３２ａの軸方向が変化すると、所謂ジャイロ効果によって、Ｘ軸回りに前記車体４及び前記車輪８を回転させるモーメント（すなわち、前記姿勢を傾斜状態から非傾斜状態へ復帰させるモーメント）が発生し、当該モーメントによって、前記姿勢は傾斜状態から非傾斜状態へ復帰することができる。

また、本実施の形態に係るＣＭＧ３０は、前記一輪車２の姿勢がＺ軸回りに回転するように変化した状態から元の状態へ復帰させる制御能力を備えている。例えば、Ｚ軸回りに前記車体４及び前記車輪８を回転させるような外力が働いて、一輪車２の姿勢が変化した場合には、ホイール３２の速度が変化する。そして、かかるホイール３２の加速又は減速により、Ｚ軸回りに前記車体４及び前記車輪８を回転させるようなモーメントが発生し、当該モーメントにより、一輪車２の姿勢は所望の状態（すなわち、前記車体４及び前記車輪８がＺ軸回りに回転する前の状態）に復帰することができる。

内部モータ６０は、前記車輪８を回転させるための駆動モータである。また、該内部モータ６０は、倒れ状態にある前記一輪車２の姿勢を非倒れ状態に復帰させるために、車輪８の回転数を制御する能力を備えている。つまり、本実施の形態に係る一輪車２は、内部モータ６０が車輪８の回転数を制御することにより、前記倒れ状態から前記非倒れ状態へ前記姿勢を復帰させることが可能である。例えば、直立状態の姿勢の一輪車２に、前記車体４を前後方向に倒すような（すなわち、Ｙ軸回りに回転させるような）外力が働くと、前記姿勢は直立状態から倒れ状態へ変化する。そして、この姿勢変化が検知されると、前記内部モータ６０の制御により、車輪８の回転速度は加速又は減速する。そして、前記車輪８の回転速度の変化によって、Ｙ軸回りに前記車体４を回転させるモーメント（すなわち、前記姿勢を倒れ状態から非倒れ状態へ復帰させる力）が発生し、当該モーメントにより、前記姿勢は倒れ状態から非倒れ状態へ復帰することができる。

なお、一輪車２は、姿勢ジャイロ等の姿勢センサ（不図示）を備えており、当該姿勢センサにより前述した姿勢変化を感知する。また、一輪車２にはメインコントローラ（不図示）が設けられている。このメインコントローラには、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等が備えられており、該メインコントローラは、前記姿勢センサからの出力に応じて、車輪８、ＣＭＧ３０等を制御する。

＝＝＝車輪８の形状の決定方法＝＝＝
発明が解決しようとする課題の項で説明したとおり、従来、前記車輪８の形状は、例えば、汎用性、量産性、デザイン性等の観点から決定されていた。しかしながら、前記車輪８の形状は一輪車２の性能に影響を及ぼし、特に、傾斜状態にある前記姿勢の非傾斜状態への復帰の可否は、前記車輪８の形状に依存する。よって、前述した観点から決定された形状の車輪８が前記一輪車２に備えられる場合、前記傾斜状態の姿勢が、ＣＭＧ３０の制御により、非傾斜状態へ適切に復帰できなくなる虞があるため、前記一輪車２の性能を向上させることが困難となる。

そこで、本項では、一輪車２の性能を向上させるために、前述した姿勢復帰性能とＣＭＧ３０の制御能力とを考慮して車輪８の形状を決定する方法について、図５乃至図１０を用いて説明する。図５は、車輪８の形状を決定する方法を示すフローチャートである。図６は、円弧である前記第一交線１００の曲率半径Ｒを決定するために行う数値計算についてのフローチャートである。図７Ａ及び図７Ｂは、一輪車２の姿勢の状態を説明するための図である。そして、図７Ａは、図２に対応する図面であり、前記姿勢が倒れ状態にある際の倒れ角度について説明するための図である。また、図７Ｂは、図３に対応する図面であり、前記姿勢が傾斜状態にある際の傾斜角度について説明するための図である。図８は、前記曲率半径Ｒを決定するために行う前記数値計算によって得られる計算結果を説明するための図であり、前記曲率半径Ｒの値をＲｂに仮決めして行った際の計算結果を示すグラフである。図９は、図８に対応する図であり、前記ホイール３２の最大回転数を、図８に示す計算結果を得る際に入力した前記最大回転数を半減した値へ変更した場合の計算結果を示している。図１０は、一輪車２の姿勢が傾斜状態かつ倒れ状態である際に発生する回転モーメントについて説明する図である。なお、図７Ａには、矢印にて、一輪車２の前後方向と、直立状態時における一輪車２の上下方向とが、それぞれ示されている。また、図７Ｂには、矢印にて、直立状態時における前記一輪車２の車輪８の回転軸８ａの軸方向と、前記一輪車２の上下方向とが、それぞれ示されている。また、図８及び図９に示されるグラフにおいて、縦軸は倒れ角度を、横軸は傾斜角度をそれぞれ示している。また、前記グラフの各座標上のプロットは、当該座標が示す状態から非傾斜状態に前記姿勢を復帰させることができるか否かについて示すものであり、前記プロットのうち、黒丸状のプロットは前記姿勢が非傾斜状態へ復帰可能であることを、ばつ状のプロットは復帰不可能であることをそれぞれ示している。さらに、図８及び図９に示される各グラフは、前記曲率半径Ｒの仮決め値をＲａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄ、Ｒｅ、及びＲｆへ変化させた際の前記計算結果を示しており、前記仮決め値Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄ、Ｒｅ、及びＲｆの大きさは、当該順序で大きくなっている。また、図１０には、矢印にて、直立状態時における前記一輪車２の車輪８の回転軸８ａの軸方向と、前記一輪車２の上下方向とが、それぞれ示されている。
以下、車輪８の形状を決定する方法の、各ステップについて説明する。

＜＜どの倒れ状態の姿勢を非倒れ状態へ復帰させるかを決定するステップについて＞＞
車輪８の形状を決定するにあたり、先ず、一輪車２の姿勢復帰性能を設定するために、どの倒れ状態の姿勢を非倒れ状態へ復帰させるかを決定する（Ｓ２）。そして、この決定結果は、前記車体４が前後方向に倒れた際の倒れ角度（図７Ａ中、記号φにて示される角度）により表される。例えば、当該倒れ角度φを３０度と決定した場合には、前記車体４がＹ軸回りに３０度回転するように倒れたとしても、前記姿勢を非倒れ状態へ復帰させることが可能になるように、一輪車２の姿勢復帰性能が設定されている。なお、図７Ａに示すように、非倒れ状態における前記姿勢を基準として（すなわち、倒れ角度φが０度であると考える）、前記車体４が前方に倒れた際の倒れ角度を正の角度とし、前記車体４が後方に倒れた際の倒れ角度を負の角度とする。

＜＜車輪の最大外径を決定するステップについて＞＞
次に、前記車輪８の形状として、前記車輪８の、回転軸８ａの軸方向の中央における外径、すなわち、前記車輪８の最大外径ｒを決定する（Ｓ４）。そして、当該最大外径ｒは、前述した、どの倒れ状態の姿勢を非倒れ状態へ復帰させるかを決定するステップＳ２における決定結果に基づいて決定される。つまり、前記最大外径ｒは、設定された姿勢復帰性能が達成されるか否かに影響を及ぼすため、当該最大外径ｒは、その倒れ角度φが前記決定結果を示す値となっている倒れ状態の前記姿勢が、非倒れ状態へ復帰可能となるように決定される。一方、前記最大外径ｒを決定する際には、前記内部モータ６０の制御能力を示すパラメータを考慮する。そして、当該パラメータには、前記内部モータ６０の最大出力が含まれている。すなわち、前記車体４が前記決定結果を示す倒れ角度φで倒れた倒れ状態、から非倒れ状態へ前記姿勢を復帰させることが可能であるか否かは、車輪８の回転数を制御する前記内部モータ６０の最大出力にも依存するため、同一の最大外径ｒを有する車輪８が一輪車２に備えられた場合であっても、前記最大出力が異なると、前記姿勢を非倒れ状態へ復帰させることができる倒れ状態は異なってくる。このため、前記決定結果と前記内部モータ６０の最大出力とに基づいて、前記最大外径ｒを決定することにより、前記決定結果を示す前記倒れ角度φで前記車体４が倒れた際に、前記姿勢を倒れ状態から非倒れ状態へ復帰することが可能となる。すなわち、このような決定方法で決定された最大外径rを有する車輪８が、一輪車２に備えられることにより、設定された前記一輪車２の姿勢復帰性能が達成されることになる。なお、前記最大外径ｒの算出方法としては、例えば、公知の算出方法を適用することが可能であり、当該算出方法に前記決定結果を示す倒れ角度φと、前記内部モータ６０の最大出力とを入力することによって算出された値が最大外径ｒとして採用されることとなる。

＜＜どの状態の姿勢を非傾斜状態へ復帰させるかを決定するステップについて＞＞
次に、一輪車２の姿勢復帰性能を設定するために、どの状態の姿勢を非傾斜状態へ復帰させるかを決定する（Ｓ６）。具体的に説明すると、どの前記傾斜状態及び前記倒れ状態の前記姿勢を復帰させるかを決定する。そして、この決定結果は、前記車体４が前後方向に倒れた際の前記倒れ角度φと、前記車体４及び前記車輪８が横に傾いた際の傾斜角度（図７Ｂ中、記号θにて示される角度）とによって表現される。例えば、倒れ角度φを３０度と、傾斜角度を２０度と決定した場合には、前記車体４がＹ軸回りに３０度回転するように倒れ、かつ、前記車体４及び前記車輪８がＸ軸回りに２０度回転するように傾いた状態の前記姿勢が非傾斜状態へ復帰可能となるように、一輪車２の姿勢復帰性能が設定されている。なお、図７Ｂに示すように、非傾斜状態における前記姿勢を基準として（すなわち、傾斜角度θが０度であると考える）、前記車体４及び前記車輪８が車輪８の回転軸８ａの軸方向（より正確には、一輪車２の姿勢が直立状態にある際の前記回転軸８ａの軸方向）において他端側に傾いた際の傾斜角度を正の角度とし、一端側に傾いた際の傾斜角度を負の角度とする。

＜＜円弧の曲率半径を決定するステップについて＞＞
次に、前記車輪の８の形状として、円弧である前記第一交線１００について、前記円弧の曲率半径Ｒを決定する（Ｓ８）。そして、この曲率半径Ｒは、どの傾斜状態及び倒れ状態の姿勢を非傾斜状態へ復帰させるかを決定するステップＳ６における決定結果と、姿勢復帰性能が達成されるか否かに影響を及ぼすＣＭＧ３０の制御能力を示すパラメータとに基づいて決定される。このような決定方法で決定された曲率半径Ｒを有する車輪８が、一輪車２に備えられた場合、当該一輪車２は、前記決定結果において示される状態へ前記姿勢が変化した場合であっても、ＣＭＧ３０の制御によって、前記姿勢を適切に非傾斜状態へ復帰させることができる。なお、本実施の形態において、前記曲率半径Ｒを決定する際には、非傾斜状態へ復帰させることが可能な前記姿勢の状態に関して、図６に示す数値計算を行う。以下、当該数値計算の手順について説明する。

先ず、どの状態について前記数値計算を行うかを決定するために、当該数値計算の対象とする傾斜状態及び倒れ状態に関する値を入力する。具体的には、前記傾斜状態を示す値として傾斜角度θを、前記倒れ状態を示す値として倒れ角度φを、それぞれ入力する。なお、本実施の形態では、前記傾斜角度θの入力値、及び、前記倒れ角度φの入力値は、ともに、４０度から−４０度の範囲にあって、１０度刻みの値である。

次に、ＣＭＧ３０の制御能力を示すパラメータ等を入力する。また、本実施の形態において、ＣＭＧ３０の制御能力を示すパラメータには、前記ホイール３２の最大回転数、該ホイール３２の直径、前記ジンバルモータ３８の最大出力等が含まれる。

次に、前記数値計算を行うにあたり、該曲率半径Ｒの値を仮決めし、当該曲率半径Ｒの仮決め値を入力する。

以上の入力を行った後、上記入力値に基づき、入力された前記傾斜状態及び倒れ状態の前記姿勢が非傾斜状態へ復帰するか否かに関する計算を行う。具体的には、前記傾斜状態を示す値として入力された傾斜角度θと、前記倒れ状態を示す値として入力された倒れ角度φとの組み合わせによって示される状態にある前記姿勢が、一輪車２に備えられたＣＭＧ３０の制御能力の範囲内で、非傾斜状態へ復帰可能であるか否かを判定する。

そして、本実施に係る前記計算は、図６に示すように、前記傾斜角度θと前記倒れ角度φとの組み合わせ全てについて、前記姿勢の復帰の可否が判定されるまで、繰り返し行われる。そして、前記組み合わせ全てにおいて前記計算が終了した時点で、前記数値計算は完了し、図８に示されるグラフを計算結果として得ることができる。例えば、曲率半径Ｒの値をＲａと仮決めして数値計算を実施した場合には、図８中、上段の左側に示すグラフが得られる。また、図８に示すように、曲率半径Ｒの仮決め値を変更すると、非傾斜状態へ復帰可能な状態について、異なる計算結果を得ることができる。一方、図９に示すように、ＣＭＧ３０の制御能力を示すパラメータの一例として、前記ホイール３２の回転数を変更した場合にも、前記計算結果は異なってくる。これは、一輪車２の姿勢に関して、前記非傾斜状態へ復帰可能な傾斜状態及び倒れ状態は、前記第一交線１００についての曲率半径Ｒ、及び、ＣＭＧ３０の制御能力に依存することを意味している。また、このような関係は、前記曲率半径Ｒ、ＣＭＧ３０の制御能力を示すパラメータ等を変数とした、一輪車２の姿勢の変動に関する運動方程式によって表現され、前記数値計算において当該運動方程式を解くことによって、前記決定結果が示す各状態の姿勢が非傾斜状態へ復帰可能であるか否かについて判定することができる。

そして、前記数値計算によって得られた計算結果から、前記姿勢が非傾斜状態へ復帰可能であると判定された状態（すなわち、図８及び図９において、黒丸状のプロットが付されている座標が示す前記傾斜状態及び前記倒れ状態）が、前記決定結果を満たしているときの曲率半径Ｒの仮決め値を求める。そして、当該曲率半径Ｒの仮決め値が、前記車輪８の形状として決定されることになる。例えば、前記一輪車２の姿勢復帰性能を設定するために、傾斜角度が３０から−３０度である傾斜状態で、かつ、倒れ角度が３０から−３０度である倒れ状態にある前記姿勢を非傾斜状態へ復帰させると決定した場合、図８が示す計算結果においては、曲率半径ＲをＲｆに仮決めした際の計算結果が前記決定結果（図８中、破線で囲んだ範囲）を満たしているため、前記車輪８の形状として、前記曲率半径ＲがＲｆに決定される。

以上のような曲率半径Ｒの決定方法によれば、一輪車２の姿勢復帰性能として、どの状態（より具体的には、どの傾斜状態及び倒れ状態）の前記姿勢を非傾斜状態に復帰可能とさせるかを決定し、当該決定結果とＣＭＧ３０の制御能力を示すパラメータとに基づいて、前記決定結果が示す状態の姿勢が非傾斜状態へ復帰可能となる曲率半径Ｒを求めることとなる。この結果、設定された姿勢復帰性能の範囲内にある傾斜状態、あるいは、倒れ状態へ前記姿勢が変化した場合であっても、ＣＭＧ３０の制御により、適切に非傾斜状態へ復帰させることが可能となり、一輪車２の性能が向上することとなる。

さらに、本実施の形態においては、どの状態の姿勢を非傾斜状態へ復帰させるかを決定するために、どの前記傾斜状態及び前記倒れ状態の姿勢を復帰させるかを決定することとした。このため、どの傾斜状態及び倒れ状態の姿勢を復帰させるかが明確になり、また、一輪車２の姿勢が傾斜状態、かつ、倒れ状態である際に発生する回転モーメントを考慮した上で、車輪８の形状を決定することができる。具体的に説明すると、例えば、一輪車２の走行中、前記姿勢が、車体４及び車輪８が該車輪８の回転軸８ａの軸方向の他端側に傾いた傾斜状態で、かつ、前記車体４が前方に倒れた倒れ状態になった場合、前記一輪車２は鉛直方向に沿った仮想軸（図１０中、破線にて示す仮想軸）回りに、所定の回転方向（図１０中、記号Ｐにて示す回転方向）へ旋回するような動作を行う。この動作に伴って、ＣＭＧ３０が備えたホイール３２の回転軸３２ａの軸方向が変化する。その際、ホイール３２の角運動量の方向が変化するため、ジャイロ効果により、一輪車２をＸ軸回りに回転させるような回転モーメント（図中、記号Ｔにて示される方向の回転モーメント）が発生することになる。当該回転モーメントＴは、設定された姿勢復帰性能が達成されるか否かに影響を及ぼすため、車輪８の形状（特に、前記第一交線１００における曲率半径Ｒ）を決定する際に考慮する必要がある。また、当該回転モーメントＴの大きさ及び向きは、前記姿勢の傾斜状態の度合い（すなわち、傾斜角度θ）と、倒れ状態の度合い（すなわち、倒れ角度φ）によって決定される。このため、どの傾斜状態及び倒れ状態の姿勢を復帰させるかが明確であれば、前記姿勢を変化させるような回転モーメントＴを考慮することができるため、前記車輪８の形状をより適切に決定することが可能となる。

なお、本実施の形態に係る数値計算においては、前記傾斜角度θと前記倒れ角度φとの組み合わせ全てについて、前記姿勢が非傾斜状態へ復帰できるか否かの判定を行うこととした。すなわち、当該判定は複数回行われることとしたが、これに限定されるものではない。例えば、前記傾斜角度θの最大値と前記倒れ角度φの最大値との組み合わせにより表現される状態に関して、前記判定を一回のみ行うこととしてもよい。

また、本実施の形態においては、車輪８の形状として、曲率半径Ｒを決定することとしたが、これに限定されるものではない。例えば、曲率半径Ｒに代えて、円弧である第一交線１００の曲率中心Ｃの、一輪車２の重心Ｍに対する相対位置を決定することとしてもよい。

＝＝＝その他の実施の形態＝＝＝
以上、上記実施の形態に基づき、本発明に係る車輪の形状を決定する方法について説明したが、上記発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

また、上記実施の形態において、前記車輪８の数は一つであることとしたが、これに限定されるものではなく、当該車輪８の数は複数であってもよい。すなわち、上記実施の形態においては、車として一輪車２を例にとって説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、二輪車、三輪車、四輪車等に備えられる車輪８の形状を決定する際にも、本発明を適用することが可能である。ただし、車輪８の数が一つである場合には、車輪８の数が複数である場合に比べ、車の姿勢がより傾斜状態になり易いため、前記車の姿勢復帰性能を達成させるためには、より適切に車輪８の形状を決定する必要がある。このため、本発明による車輪８の形状の決定方法が、より有意義なものとなる。かかる点で、上記実施の形態の方がより望ましい。

また、上記実施の形態において、前記一輪車２が姿勢制御機構としてＣＭＧ３０を備えていることとした。かかる場合には、ＣＭＧ３０の制御能力に応じて、車輪８の形状を決定することができる。ただし、前記姿勢制御機構としては、前記ＣＭＧ３０に限定されるものではない。例えば、手押し一輪車のように、前記姿勢制御機構としてヒトの手足が用いられる場合にも、本発明を適用することが可能である。かかる場合、ヒトの前記手押し一輪車の姿勢を制御するための制御能力に応じて、前記車輪８の形状を決定することができる。また、かかる場合、前記数値計算に入力する、姿勢制御機構の制御能力を示すパラメータとしては、ヒトが前記手押し一輪車の姿勢を制御するために発揮することができる力の最大値等を用いることとなる。

また、上記実施の形態において、前記ホイール３２の回転軸３２ａが前記車輪８の回転軸８ａに沿っている場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、前記ホイール３２の回転軸３２ａが、前記車輪８の回転軸８ａと交差する方向に沿っていることとしてもよい。

また、上記実施の形態においては、どの倒れ状態の姿勢を非倒れ状態に復帰させるかに関する決定結果と前記内部モータ６０の最大出力に基づいて前記最大外径ｒを決定することとしたが、これに限定されるものではない。例えば、前述した車輪８の形状を決定する方法において、どの倒れ状態の姿勢を非倒れ状態へ復帰させるかを決定するステップＳ２と、車輪８の最大外径ｒを決定するステップＳ４とが、省略されることとしてもよい。ただし、前記決定結果と前記内部モータ６０の最大出力に基づいて前記最大外径ｒを決定した場合には、前記決定結果が示す倒れ状態にある前記姿勢を適切に非倒れ状態へ復帰させることが可能な一輪車２を実現することができる。かかる点において、上記実施の形態の方がより望ましい。

また、上記実施の形態において、前記車輪８の回転数を制御する回転制御機構として、内部モータ６０が設けられているが、これに限定されるものではない。例えば、他の回転制御機構として、ブレーキ等の装置が一輪車２に設けられていてもよい。かかる場合において、最大外径ｒを決定する際に考慮すべき前記回転制御機構の制御能力を示すパラメータとしては、例えば、前記ブレーキが車輪８の回転を制御するために該車輪８に及ぼす力の最大値及び最小値が挙げられる。

また、上記実施の形態において、前記ＣＭＧ３０の制御能力を示すパラメータとしては、ホイール３２の最大回転数、該ホイール３２の直径、及び前記ジンバルモータ３８の最大出力等を用いることとしたが、これに限定されるものではない。例えば、前記パラメータとしては、上記のパラメータに代えて、ＣＭＧ３０が前記姿勢を制御するために生成するモーメントの出力限界値等を用いることとしてもよい。

前記一輪車２の外観を示した斜視図である。 一輪車２の主要構成要素の側面を模式的に示した図である。 図２に示された一輪車２の前記主要構成要素を、図２中、記号Ａ−Ａにて示す断面で切断したときの模式断面図である。 車輪８の斜視図である。 車輪８の形状を決定する方法を示すフローチャートである。 円弧である第一交線１００の曲率半径Ｒを決定するために行う数値計算についてのフローチャートである。 図７Ａは、その姿勢が直立状態から変化している一輪車２を示しており、前記姿勢が倒れ状態にある際の倒れ角度についての説明図である。 図７Ｂは、その姿勢が直立状態から変化している一輪車２を示しており、前記姿勢が傾斜状態にある際の傾斜角度についての説明図である。 曲率半径Ｒを決定するために行う数値計算によって得られる計算結果を説明するための図である。 図８に対応する図面であり、図８における数値計算の際に入力したホイール３２の最大回転数を変更して行った数値計算の結果を示している。 一輪車２の姿勢が傾斜状態かつ倒れ状態である際に発生する回転モーメントについて説明する図である。

符号の説明

２ 一輪車 ４ 車体
８ 車輪 ８ａ 回転軸
８ｂ 内筒 ８ｃ ゴム部
８ｄ 接地部 ８ｅ 非接地部
８ｆ 第一接地部 ８ｇ 第二接地部
９ カウンタバランス ３０ コントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）
３２ ホイール ３２ａ 回転軸
３４ ジンバル ３４ａ 回転軸
３６ ターンテーブル ３８ ジンバルモータ
６０ 内部モータ
１００ 第一交線 １０３ 中央
１１０ 第二交線 １２０ 第三交線

Claims (10)

1. 車体と、該車体に回転可能に設けられた車輪と、を有する車であって、
   該車の姿勢を復帰させるために前記姿勢を制御する姿勢制御機構、の制御により、
   前記車体及び前記車輪が横に傾いた傾斜状態から非傾斜状態へ前記姿勢を復帰させることが可能な車、
   の前記車輪の形状を決定する方法であって、
   前記車の姿勢復帰性能を設定するために、どの状態の前記姿勢を前記非傾斜状態へ復帰させるかを決定するステップと、
   この決定結果と前記姿勢制御機構の制御能力を示すパラメータとに基づいて、前記車輪の形状を決定するステップと、
   を有することを特徴とする車輪の形状を決定する方法。
2. 請求項１に記載の車輪の形状を決定する方法において、
   前記車が備える車輪の数は、一つであることを特徴とする車輪の形状を決定する方法。
3. 請求項２に記載の車輪の形状を決定する方法において、
   前記車は、前記姿勢制御機構として、その回転軸周りに回転可能なホイール、を有したコントロールモーメントジャイロ、を備えていることを特徴とする車輪の形状を決定する方法。
4. 請求項３に記載の車輪の形状を決定する方法において、
   前記ホイールの回転軸は、前記車輪の回転軸に沿っていることを特徴とする車輪の形状の決定方法。
5. 請求項３又は請求項４のいずれかに記載の車輪の形状を決定する方法において、
   前記車輪が備え、該車輪の回転軸の下方に位置し、前記車の動作中に接地可能な接地部と、
   前記車輪の回転軸を含み、その法線の方向が水平方向となる仮想平面と、
   の交線は円弧であり、
   前記車輪の形状を決定するステップにおいては、前記車輪の形状として、前記円弧の曲率半径を決定することを特徴とする車輪の形状を決定する方法。
6. 請求項５に記載の車輪の形状を決定する方法において、
   前記車は、前記車体が前後方向に倒れた倒れ状態から非倒れ状態へ該車の姿勢を復帰させるために前記車輪の回転を制御する回転制御機構、を備え、
   前記車の姿勢復帰性能を設定するために、どの倒れ状態の前記姿勢を前記非倒れ状態へ復帰させるかを決定するステップと、
   この決定結果と前記回転制御機構の制御能力を示すパラメータとに基づいて、前記車輪の形状として前記車輪の外径を決定するステップと、
   を有することを特徴とする車輪の形状を決定する方法。
7. 請求項６に記載の車輪の形状を決定する方法において、
   どの状態の前記姿勢を前記非傾斜状態へ復帰させるかを決定するステップにおいては、
   どの前記傾斜状態及び前記倒れ状態の前記姿勢を復帰させるかを決定することを特徴とする車輪の形状を決定する方法。
8. 請求項７に記載の車輪の形状を決定する方法において、
   前記姿勢制御機構の制御能力を示すパラメータは、前記ホイールの最大回転数と、該ホイールの直径と、
   該ホイールを保持し回転可能なジンバル、の回転を制御するジンバルモータ、
   の最大出力と、を含んでいることを特徴とする車輪の形状を決定する方法。
9. 請求項８に記載の車輪の形状を決定する方法において、
   前記回転制御機構は、前記車輪を回転させるための駆動モータであり、
   前記回転制御機構の制御能力を示すパラメータは、前記駆動モータの最大出力、を含んでいることを特徴とする車輪の形状を決定する方法。
10. 車体と、該車体に回転可能に設けられた車輪と、を有する車であって、該車の姿勢を復帰させるために前記姿勢を制御する姿勢制御機構、の制御により、前記車体及び前記車輪が横に傾いた傾斜状態から非傾斜状態へ前記姿勢を復帰させることが可能な車、の前記車輪の形状を決定する方法であって、前記車の姿勢復帰性能を設定するために、どの状態の前記姿勢を前記非傾斜状態へ復帰させるかを決定するステップと、この決定結果と前記姿勢制御機構の制御能力を示すパラメータとに基づいて、前記車輪の形状を決定するステップと、を有し、
    前記車が備える車輪の数は、一つであり、
    前記車は、前記姿勢制御機構として、その回転軸周りに回転可能なホイール、を有したコントロールモーメントジャイロ、を備えており、
    前記ホイールの回転軸は、前記車輪の回転軸に沿っており、
    前記車輪が備え、該車輪の回転軸の下方に位置し、前記車の動作中に接地可能な接地部と、前記車輪の回転軸を含み、その法線の方向が水平方向となる仮想平面と、の交線は円弧であり、前記車輪の形状を決定するステップにおいては、前記車輪の形状として、前記円弧の曲率半径を決定し、
    前記車は、前記車体が前後方向に倒れた倒れ状態から非倒れ状態へ該車の姿勢を復帰させるために前記車輪の回転を制御する回転制御機構、を備え、前記車の姿勢復帰性能を設定するために、どの倒れ状態の前記姿勢を前記非倒れ状態へ復帰させるかを決定するステップと、この決定結果と前記回転制御機構の制御能力を示すパラメータとに基づいて、前記車輪の形状として前記車輪の外径を決定するステップと、を有し、
    どの状態の前記姿勢を前記非傾斜状態へ復帰させるかを決定するステップにおいては、どの前記傾斜状態及び前記倒れ状態の前記姿勢を復帰させるかを決定し、
    前記姿勢制御機構の制御能力を示すパラメータは、前記ホイールの最大回転数と、該ホイールの直径と、該ホイールを保持し回転可能なジンバル、の回転を制御するジンバルモータ、の最大出力と、を含んでおり、
    前記回転制御機構は、前記車輪を回転させるための駆動モータであり、前記回転制御機構の制御能力を示すパラメータは、前記駆動モータの最大出力、を含んでいることを特徴とする車輪の形状を決定する方法。

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