JP2021504611A - 自転車ハンドルバー自動アライメント入庫システム - Google Patents

Abstract

自転車および自転車を収納するガレージを含み、自転車のフレーム上には、ステムの回転角度を記録し、ハンドルバーがアライメントされたか否かを感知するエンコーダが設けられ、ガレージ内または自転車のフレーム上には後輪アライメント微調整装置が設けられ、後輪アライメント微調整装置は、フレーム上のエンコーダに記録されたずれ角度に基づいて、後輪と前輪とが一直線上にあるように自動的に後輪を揺動して角度を調整する自転車ハンドルバー自動アライメント入庫システム。当該システムによれば、自動的にハンドルバーをアライメントして自転車を入庫させることができ、自動駐輪を便利にし、収納スペースを大幅に節約できる。【選択図】図１

Description

本発明は、メカトロニクス技術分野に関し、自転車（自転車に限らず、本発明は、自転車に似っているその他の車両にも適用できる）ハンドルバー自動アライメント入庫システムに関する。本発明に係るシステムを採用する自転車ならば、その前輪と後輪と（以下、「前後輪」とも称する。）が一直線上にあるように前後輪が自動的にアライメントされ、非常に便利に自転車専用ガレージへの自動出入りが実現され、駐輪効率が大幅に向上される。

シェアサイクルの普及にともない、シェアサイクルは人々に利便性をもたらしている一方、無秩序に駐輪されたり、多くのパブリックスペースが取られたり、街並みに深刻な影響を与えたり、それによる問題も顕著である。本発明者による中国特許出願「ブレード型自動変形自転車のセルフサービス共有方法」（第２０１６１１１１３９３７．５号）には、自転車を自動的に変形させる方法が開示され、当該方法によれば、自転車は整然に収縮されてガレージ内に収納され、使用可能な自転車を便利に提供できるだけでなく、上述した通常のシェアサイクルにおける問題も解決できる。

しかしながら、自転車を収縮変形させてから入庫させる際、自転車の前後輪が一直線上にあるように保ちながら入庫させることが非常に重要である。その理由の一つは、前後輪が一直線上にある、すなわち、自転車のハンドルバーがアライメントされることにより、自転車をブレードのような形状に保つことができ、取られるスペースが最も小さいからである。他の一つの理由は、前後輪が一直線上にある場合、方向が変更されずに自転車が牽引されてガレージを出入りでき、駐輪効率が向上されるからである。

本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、自転車ハンドルバーをアライメントしてから自転車を自転車収納専用ガレージへ自動入庫させる自転車ハンドルバー自動アライメント入庫システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る自転車ハンドルバー自動アライメント入庫システムは、次のような技術的手段により実現される。自転車に充電式電池および制御器を取り付け、フレーム（以下、「自転車フレーム」とも称する。）にエンコーダ（またはその他の類似の方法）を取り付けてステム（すなわち、前輪）の回転角度を記録することによりハンドルバーがアライメントされたか否かを感知する。フレームには位置決め装置がさらに取り付けられている。ステムおよびハンドルバーがアライメントされた（すなわち、前後輪が略一直線上にあるように調整された）際、前後輪の位置が安定的に略一直線上にあるように保持されて駐輪および出入りが便利であるように、電動アクチュエータ（電磁石またはモータなど）により位置決め装置を駆動することによって前輪がロックされる。自転車ガレージ内には電動輸送装置が取り付けられ、当該装置によりハンドルバーがアライメントされた自転車のガレージへの自動出入りを実現する。具体的には、ガレージ内の空きスペースに対応する領域には緑色のライトが点灯され、ユーザはまず前輪を当該ガレージの空きスペースのガイド溝に位置合わせさせてから自転車をガレージに押し込み、前輪によりガレージのスイッチがトリガーされると、後輪をアライメントするようユーザに知らせる。続いて、ユーザは後輪を持ち上げて前輪にほぼ位置合わせする（後輪の車輪の位置を調整する）。続いて、エンコーダにより前後輪がほぼ位置合わせされたことが感知され、ガレージ内の輸送装置は自動的に自転車をガレージ内へ輸送する。ここで、ユーザにより車輪の位置を調整する際、ハンドルバーが完全アライメントされることが保証できないため、ガレージ内または自転車フレーム上にはハンドルバーアライメント微調整装置が設けられている。当該微調整装置は、フレーム上のエンコーダにより記録（当該記録は有線または無線の方式によりガレージの制御器に伝送され得る）されたずれ角度に基づいて、自動的に後輪の角度を調整することによって後輪と前輪とが略一直線上にあるようにする。すなわち、輸送過程において完全アライメントできなかった自転車ハンドルバーを、それが完全アライメントされるまで微調整し、かつ位置決めしてロックすることにより輸送および収納を便利にする。

本発明が実現される原理は次のとおりである。自転車には、充電式電池が設けられている。自転車のハンドルは、自転車ステムに固定され、通常、この部分は自転車ハンドルバーと称されている。ステムは、フレームの前部にあるヘッドチューブと称されるチューブに取り付けられ、かつ自由に回転でき、さらにフロントフォークを介して前輪を回転させることによって自転車走行時の方向変換を実現する。一般の自転車のハンドルバーは柔軟な（動きやすい）ものであり、自転車に乗る際は手でねじることによって方向変換し、自転車が停まっている際はハンドルバーが自然に曲がって、スタンドにより静的バランスをとる。本発明において、自転車全体は、自動的にブレードのような形状に収縮され、かつこの形状のままで前後輪が一直線上にあるように保持されて専用ガレージに駐輪されることが必要であるが、システムによる補助がなく、単なる肉眼による判断および手動操作だけでは、上述要求を満たすことを保証しにくい。このため、自動的に自転車ハンドルバーをアライメントして自転車を入庫させる補助システムおよび方法が必要となる。

まず、ハンドルバーがアライメントされたか否か、具体的なずれ角度を感知するセンサが必要である。このセンサは、フレーム（以下、「自転車フレーム」とも称する。）に取り付けられたエンコーダそのものであり、ステム（すなわち、前輪）の回転角度を記録するとともに、ハンドルバーがアライメントされたか否かを感知する。ステムの回転角度は、前輪の位置を示せる。ステムに歯車を取り付けることによって、歯車の噛み合いによりステムの回転をエンコーダの軸の回転に同期させることができる（ステムへのエンコーダの直接取り付けは不便である）。ステムが回転する度に、フレーム上のシングルチップマイコンは、エンコーダのＡ、Ｂ相の中断信号によりエンコーダのパルス数および方向を記録する。最初は（初期化時）、前後輪が一直線上にあり、前後輪がアライメント位置からわずかにずれると、エンコーダはパルスを生じ、パルスの数によりずれ角度の大きさを記録する。

自転車ガレージ内には電動輸送装置が設けられている。当該装置は、ハンドルバーがアライメントされた収縮変形後の自転車を、ガレージに自動入庫させることができる。ガレージに入る際、自転車はまだ完全に一直線に収縮されていない可能性があり、すなわち、ハンドルバーが完全アライメントされていない可能性がある。また、入庫操作に対しては、できるだけ簡単で間違いが起こらないことが要求される。具体的には、ガレージ内の空きスペースに対応する領域には緑色のライトが点灯され、ユーザはまず前輪を当該ガレージの空きスペースのガイド溝に位置合わせさせてから自転車をガレージに押し込むが、前輪を先にガレージのガイド溝に入れることは、前輪が比較的に柔軟であるため、後退、前進および位置合わせの動作を簡単に操作され得るからである。前輪を前輪ガイド溝に位置合わせした後、前輪をガレージに押し込み、前輪によりガレージスイッチがトリガーされると、ガレージは後輪をアライメントするようユーザに知らせる（音声リマインダーまたはライトリマインダーを採用できる。たとえば、赤色のライトと緑色のライトが同時に点灯するか、または緑色のライトが点滅するなどがある）。続いて、ユーザは後輪を持ち上げて前輪にほぼ位置合わせした後（ガレージとフレーム上のシングルチップマイコンとが通信することによりエンコーダからずれ角度を取得でき、大体アライメントされたか否かを判断できる）、ユーザに準備完了の旨を知らせ、ガレージ内の輸送装置は自動的に自転車をガレージ内に輸送する。

ほとんどの場合において、ユーザは後輪を完全にアライメントすることができず、ユーザの誤差を許容する必要がある（前後輪が一直線から顕著にずれず、牽引できる程度でよい）。そうでもしないと、ユーザが容易に使用できず、１回だけで操作を成功できない。このため、ガレージ内または自転車フレーム上にはハンドルバーアライメント微調整装置が設けられている。当該微調整装置は、フレーム上のエンコーダにより記録（当該記録は有線または無線の方式によりガレージの制御器に伝送され得る）されたずれ角度に基づいて、自動的に後輪の角度を調整することによって後輪と前輪とが一直線上にあるようにする。すなわち、輸送過程において完全アライメントできなかった自転車ハンドルバーを、それが完全アライメントされるまで微調整し、かつ位置決めしてロックすることにより輸送および収納を便利にする。なお、前後輪が一直線上にない場合において、前輪を前から引きずるか後ろから押すことで比較的に長い距離を進んだら、後輪は徐々に真っ直ぐになって前輪と一直線になることもできる。しかしながら、本発明の目的は、自転車の収納スペースをできるだけ圧縮することであるのに対し、上述のようなアライメント方法では、大きな収納スペースが浪費される（一直線になっていないときに、後輪の左右揺れが多くのスペースを取るからである）ため、後輪をできるだけ速く完全アライメントする必要がある。微調整アライメントの原理は、後輪が前輪と一直線になるように後輪を揺らすか引きずることである。この力は、自転車またはガレージから由来できる。自転車から由来する場合、後輪のトルクが比較的大きいため、一般的にはモータに対する要求が高く、自転車の重量が大きくなる。一方、ガレージにより後輪の微調整を達成するほうは、比較的簡単であり、複数の自転車が１つの微調整装置を共用可能である。ガレージにより後輪を微調整する原理は、次のとおりである。ガレージ内の各行（または複数の行が共用）の入口にはボール上を摺動可能なスライドブロックが置かれ、このスライドブロックはモータの駆動により左右移動できる。完全アライメントされていない自転車が前輪ガイド溝からガレージに入り、後輪がスライドブロックに到達した後、ガレージの制御器は、前輪が牽引された距離などに基づいて後輪が既にスライドブロック上にあると判断したら、有線（前輪ガイド溝は信号線とされる）または無線の方式により自転車のシングルチップマイコンから前後輪のずれ角度を取得し、スライドブロックが左右に移動すべき距離を算出する。後輪が強制的に後退しないように、後輪が円弧を描きながらアライメントされる際は前輪を前進させる必要がある（円弧の半径が中心から弦までの距離よりも長い）ため、アライメントする際、ガレージ制御器は、前輪が牽引されるとともにスライドブロックの移動を同時に調整することにより、前輪が数センチ前進するだけで、後輪が完全にアライメントされるようにする。フレームの下部には位置決め装置がさらに取り付けられ、ステムおよびハンドルハンドルバーがアライメントされる（すなわち、前後輪が一直線上にあるように調整される）と、電動アクチュエータ（電磁石またはモータなど）により位置決め装置を駆動することによって前輪がロックされ、前後輪の位置が安定的に一直線上にあるように保持して駐輪および出入りを便利にする。上記位置決め装置が起動された後、自転車は便利かつ整然とガレージ内に輸送されて収納され得る。自転車のヘッドチューブに設けられた楔状の前輪位置決め柱が前輪ガイド溝に正確に挿入され得るため、前輪はガレージ内に正確に位置決めされ得る。このようにして微調整された後、自転車は、ガレージ内おいて数珠繋ぎになって高密度で収納できるようになる。ここで、上述の自転車は既に本発明者によるその他の発明（中国特許出願第２０１６１１１１３９３７．５号）より自動的にブレードのような形状に収縮されたため、普通の駐輪場であっても、高密度で変形収縮された後の自転車を数百台収納できる。

本発明によれば、自動的に自転車のハンドルバーをアライメントして自転車を入庫させることができる。これによって、自転車の自動駐輪およびガレージへの自動出入りが便利になる。ハンドルバーがアライメントされた後の自転車は自動的に専用のガレージに整然と収納できるので、高い経済的利益および使用の利便性をもたらす。さらに、本発明は、本発明者のその他の発明と組み合わせることによってシェアサイクルに取られるスペースが大きく、街並みが乱雑である問題も解決できる。

以下、図面および実施例により本発明をさらに説明する。
本発明に係る自転車全体の構造を示す図である。 本発明に係る自転車専用ガレージを示す図である。 本発明に係るハンドルバーがアライメントされる前の後輪アライメント微調整装置の模式図である。 本発明に係るハンドルバーがアライメントされた後の後輪アライメント微調整装置の模式図である。

図１、図２に示されるように、本実施例において、収縮可能な自転車のフレーム、ガレージには自転車ハンドルバーの自動アライメントシステムが取り付けられている。自転車ステム２にはステム歯車４が取り付けられ、フレームには当該歯車と噛み合う歯車が取り付けられている。ステム上の歯車４は、ステム上に固定されて相対的に変位できないため、ステム上の歯車が回転すれば前輪３も連れられてともに回転され、噛合歯車５により前輪の回転を連動によって導出することでエンコーダの取り付けを便利にする。本実施例に係る自転車は、自動的にブレードのような形状に変形されてガレージを出入りするため、前後輪が完全に一直線上にあることを保証して最も省スペースにすることが必要である。このため、前輪の位置、すなわち、前輪が前後輪の一直線からどれほどずれているかを知ることが必要になるため、自転車にはステムのずれ角度を記録するエンコーダが取り付けられている。本実施例では、回転コア付き直流ギヤードモータおよびホールセンサによりエンコーダ機能を実現する。モータの減速比が比較的大きく（モータが１回転した結果、噛合歯車は約１度しか動かない）、エンコーダの位置決め精度を上げるため、歯車モータ８には直流モータの減速比が２００以上のものが用いられる。これにより、モータのエンコーダに対する要求は非常に低くなり、低コストでも精度が保証できる。エンコーダは、ハンドルバーがアライメント位置からずれた正負角度偏差（人為的によりずらされた場合も同じ）を感知でき、後輪アライメント修正（すなわち、微調整）装置を動作させて後輪をアライメントする。

歯車モータ８が通電されていない状態において、手動でハンドル１をねじる際、歯車モータ８の空転時の逆転抵抗が小さく、ハンドルの両端において力を受けているため、モーメントアームが比較的に大きい。このため、歯車モータ８が通電されていない状態において、自転車利用者はモータの存在をほぼ感じることなく、その利用体験も影響されない。フレーム上にはシングルチップマイコンシステムが取り付けられ、前輪が左右に回転すると、前輪３に連れられてステム２もともに回転され、続いて、ステムに連れられてステム歯車４もともに回転され、続いて、ステム歯車４に連れられて各噛合歯車５もともに回転され、続いて、噛合歯車５がモータ軸６を介して歯車モータ８を無負荷回転させる。シングルチップマイコンは、歯車モータ８上のエンコーダ９のＡ、Ｂなどの相信号を記録することにより前輪の位置（前後輪の一直線に対して左にずれているかそれとも右にずれているか、および具体的なずれ角度）を随時に記録できる。

自転車をアライメントしてガレージに入庫させる際、ユーザに対する要求は高すぎてはいけず、後輪を大まかにアライメント（すなわち、粗アライメントまたはアライメントの粗調整）することしか要求できない。仮にユーザに対してハンドルバーの完全アライメントを要求したとしても、完全アライメントの基準はユーザごとに判断が異なり、やろうとしてもかなり困難である。このため、ハンドルバーの完全アライメント（すなわち、微アライメントまたはアライメントの微調整）を補助する補助システムが必要となる。ハンドルバーのアライメントの微調整の動力は、自転車または自転車以外のガレージに由来してもよい。本実施例において、歯車モータ８の電力を増大させ、すなわちそのトルクを増大させるためには、フレーム上に前後輪アライメント微調整装置を１つ増設できる。当該装置は、後輪が固定されている場合でも前輪を揺動でき、前輪が固定されている場合でも後輪を揺動できる（後輪を揺動する場合、スライドしやすいスライドブロック上に後輪を乗せて抵抗を低減すればよい）。具体的な揺動角度は、エンコーダに記録された角度に基づいて計算される。しかしながら、コスト、自転車の重量および共有のコストの要因を考慮すると、本実施例においては、アライメント微調整装置をガレージに設ける。また、前輪は後輪よりも柔軟であり、ユーザによるアライメントが容易であるため、本実施例においては、微調整装置により後輪を微調整する。後輪アライメント微調整装置１７は、ボール１９上を摺動可能なスライドブロック１８を含む。微調整モータ２１は、スライドブロック１８がともに左右移動できるように回転ボールねじ２２を回転させる。微調整モータ２１としては、直径３７ｍｍのエンコーダ付きの直流ギヤードモータを使用すればよい。

ユーザが自転車を返すために自転車を自転車ガレージ内に入れる場合において、ガレージ内の空きスペースに対応する領域には緑色のライトが点灯され、ユーザはまず前輪を当該ガレージの空きスペース１６の所在する領域のガイド溝に対向させ、前輪を前輪ガイド溝ラインに位置合わせし、さらに前輪をガレージに押し込む。前輪によりガレージスイッチがトリガーされると、ガレージは音声プロンプトによりユーザに後輪をアライメントするよう知らせ、ゆっくりと緑色のライトを点滅させる。そして、ユーザは後輪を持ち上げて前輪にほぼ位置合わせした後、後輪を置く。自転車上のシングルチップマイコンはエンコーダ９により前後輪がほぼ位置合わせされた旨を知った後、音声プロンプトによりユーザに準備完了の旨を知らせ、「ディーディー」と音を鳴らす。この場合、ユーザが手を自転車から離せば、自転車は、本発明者により特許出願された各自転車の部品を収縮させる発明（中国特許出願第２０１６１１１１３９３７．５号）に記載されたように自動的に収縮された後、ガレージ輸送装置によりガレージ内に牽引される。前後輪が直線位置からずれ過ぎる場合、ユーザに新たに後輪をアライメントするよう案内する。ハンドルバーはユーザにより完全アライメントされる可能性がほぼないため、ガレージ内の輸送装置が起動されると、自動的に自転車をガレージに引き込む。ガレージに入ったばかりの自転車の状態は、図３に示されるとおりである。後輪２０がガレージ内のアライメント微調整装置１７上のスライドブロック１８に到達すると、ガレージ内の制御器は自転車の制御器と通信（すなわち、ガイド溝により有線通信してもよいが、無線通信を採用してもよい）することにより前後輪のずれ角度を取得し（前輪はガイド溝により位置合わせされてからガレージに入るので、前輪の位置には問題がない）、微調整モータを起動し、スライドブロック１８を左または右にスライドさせることにより後輪と前輪とが一直線上にあるように真っ直ぐにする（図４）。微調整が成功した後、ガレージ内の輸送装置は後輪を前に引いて後輪をスライドブロックから脱離させる。このスライドブロックは、また次の他の自転車の入庫のために後輪アライメント微調整機能を提供できる。スライドブロックは、左右にのみスライドでき、スライドブロックが左右にスライドされる過程において、ガレージの制御器は、後輪が強制的に後退することを回避するために、前輪が前に牽引されるようにガレージの輸送装置を制御する。ガレージの輸送装置は、実質的に１組のモータにより制御されるスライドブロックでもあり、自転車がガレージに入る際に、電磁石を昇降させることにより、自転車が前進または後退するように自転車を牽引する。

ブレードのような形状に収縮された自転車１５は、ガレージ１４内において整然でコンパクトに格納される。前後輪の位置がガレージ内において安定的に一直線上に保持され、駐輪とガレージへの出入りを便利にするために、噛合歯車には位置決めストッパー７が取り付けられる。直流ギヤードモータにより位置決めピンの移動を駆動する。ハンドル１がアライメントされた（すなわち、前後輪が一直線上にある）際、位置決めモータ１２は、歯車をロックするように位置決めピン１０を駆動し、これにより、前後輪の位置は安定的に一直線上に保持されて駐輪と出入りが便利である。また、位置決めピン１０にはコア１１が接続され、フレーム上にはホールセンサ１３が設けられる。ホールセンサ１３は、位置決めピン１０が完全にロックされているかまたは完全に解放されているかを感知する。

（実施形態）
後輪アライメントの操作スペースを節約するために、前輪と後輪との間に昇降装置を増設する場合がある。この装置によれば、後輪が後輪微調整装置上に置かれる前にあらかじめ後輪をアライメントできる。具体的には、かかる国際特許出願の優先権基礎である中国特許出願第２０１８２０６５８６３２．０号（自転車後輪自動アライメント入庫補助装置）を参照されたい。自転車の出入りを簡単化するために、輸送装置は自転車フレームの前部を掴めば、「自転車自体の車輪の転がりによるガレージへの出入り」の方式を採用できる。

本発明に係る各部品は、工業的な大量生産に適している。

１ ハンドル、
２ ステム、
３ 前輪、
４ ステム歯車、
５ 噛合歯車、
６ モータ軸、
７ ストッパー、
８ 歯車モータ、
９ エンコーダ、
１０ 位置決めピン、
１１ コア、
１２ 位置決めモータ、
１３ ホールセンサ、
１４ ガレージ、
１５ ブレード状に収縮した自転車、
１６ ガレージ内の空きスペース、
１７ 後輪アライメント微調整装置、
１８ スライドブロック、
１９ ボール、
２０ 後輪、
２１ 微調整モータ、
２２ ボールねじ。

Claims (8)

1. 自転車および自転車を収納するガレージを含み、
   自転車のフレーム上には、ステムの回転角度を記録し、ハンドルバーがアライメントされたか否かを感知するエンコーダが取り付けられており、
   ガレージ内または自転車のフレーム上には、ハンドルバーアライメント微調整装置が設けられ、前記微調整装置は、フレーム上のエンコーダに記録されたずれ角度に基づいて、後輪と前輪とが一直線上にあるように自動的に後輪を揺動して後輪の角度を調整する、自転車ハンドルバー自動アライメント入庫システム。
2. 自転車を入庫させる過程において、ガレージ内の空きスペースに対応する領域には緑色のライトが点灯され、ユーザはまず前輪を当該ガレージの空きスペースのガイド溝に位置合わせさせてから自転車をガレージに押し込み、前輪によりガレージのスイッチがトリガーされると、後輪をアライメントするようユーザに知らせ、ユーザは後輪を持ち上げて前輪にほぼ位置合わせした後、ガレージ内の輸送装置が自動的に判断し、アライメント要求を満たす場合、自転車をガレージ内に輸送し、前後輪が直線位置からずれ過ぎる場合、新たに後輪をアライメントするようユーザに知らせる、ことを特徴とする請求項１に記載の自転車ハンドルバー自動アライメント入庫システム。
3. フレームには位置決め装置がさらに取り付けられ、ステムおよびハンドルバーがアライメントされた際、前後輪の位置が安定的に一直線上に保持されて収納および出入りが便利になるように、電動アクチュエータにより位置決め装置を駆動することによって前輪がロックされる、ことを特徴とする請求項１に記載の自転車ハンドルバー自動アライメント入庫システム。
4. 後輪を微調整する際、後輪アライメント微調整装置のスライドブロックは、左右にのみスライドでき、スライドブロックが左右にスライドする過程において、ガレージの制御器は、後輪が強制的に後退することを回避するために、前輪が前に牽引されるようにガレージの輸送装置を制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の自転車ハンドルバー自動アライメント入庫システム。
5. 後輪の微調整が成功した後、ガレージ内の輸送装置は後輪を前に引いて後輪を後輪アライメント微調整装置におけるスライドブロックから脱離させ、当該スライドブロックは、また次の他の自転車の入庫のために後輪アライメント微調整機能を提供する、ことを特徴とする請求項１に記載の自転車ハンドルバー自動アライメント入庫システム。
6. フレームには、位置決めピンが完全にロックされているかまたは完全に解放されているかを感知するセンサが設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の自転車ハンドルバー自動アライメント入庫システム。
7. 自転車は、押されたり引かれたりすることで、自転車自体の車輪の転がりによりガレージへ出入りする、ことを特徴とする請求項１に記載の自転車ハンドルバー自動アライメント入庫システム。
8. ガレージ内の自転車は、自動的にブレードのような形状に変形収縮された収縮自転車である、ことを特徴とする請求項１に記載の自転車ハンドルバー自動アライメント入庫システム。