JP5240327B2

JP5240327B2 - 車

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Publication number: JP5240327B2
Application number: JP2011170070A
Authority: JP
Inventors: 貴之古田; 秀彰大和
Original assignee: Chiba Institute of Technology
Current assignee: Chiba Institute of Technology
Priority date: 2011-08-03
Filing date: 2011-08-03
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2026-05-29
Also published as: JP2011246123A

Description

本発明は、車に関する。特に、回転軸回りに回転可能な車輪を有する車に関する。

回転軸回りに回転可能な車輪を有する車は既に良く知られている。また、車の中には、該車の姿勢を制御するための姿勢制御機構、を備えているものもある。さらに、前記車が備えている車輪は、前記回転軸の下方に位置し、該車の動作中に地面に接地可能な接地部を有している。

特開２００５−３３５５１３号公報

ところで、前記車の姿勢は、該車の動作に応じて変化できる必要がある。例えば、前記車が旋回動作、方向転換動作等を行う際には、前記姿勢を傾斜させる必要があり、また、当該姿勢が傾斜し易くなるほど、前記車の機動性は向上することになる。このため、前記車輪が有する前記接地部は、前記姿勢が傾斜状態に変化し易くなる形状であることが望ましい。

一方、前記姿勢は、前記姿勢制御機構によって、適切に制御されなければならない。例えば、傾斜状態となった前記姿勢は、前記姿勢制御機構の制御により、直立状態へ適切に復帰させる必要がある。しかしながら、前記姿勢制御機構の姿勢制御能力には限界があり、前記接地部の形状によっては、前記姿勢が適切な状態に維持されなくなる虞もある。したがって、前記接地部の形状は、前記姿勢が適切な状態に維持されるように、前記姿勢制御機構の姿勢制御能力における限界を考慮した形状でなければならない。

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、前記姿勢を傾斜状態に変化させ易く、かつ、該姿勢を適切な状態に維持させることが可能な車を実現することである。

主たる本発明は、回転軸回りに回転可能な車輪、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、を備える車であって、前記車輪は、前記回転軸の下方に位置し、該車の動作中に地面に接地可能な接地部、を有し、前記回転軸を含み、その法線の方向が水平方向となる仮想平面を第一仮想平面としたときに、前記接地部と前記第一仮想平面との交線は、直線部と、曲線部とを有し、前記曲線部上の点の中には、次の（１）の条件を満たす第一点が含まれることを特徴とする車であり、前記交線の両端は、前記車輪に備えられ、前記車の動作中に地面に接地しない非接地部、に隣接し、前記交線の中央は、前記車が直立状態にあるときに接地し、前記曲線部の点は、いずれも前記第一点であり、前記直線部は、前記交線の両端部、及び、前記交線の中央部に位置することを特徴とする車。（１）前記第一点を含み、前記第一仮想平面と直交する第二仮想平面であって、該第二仮想平面の法線方向が前記第一点における前記曲線部の接線の方向となる第二仮想平面が、前記車の重心よりも下方に位置する。

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。

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。第一接地部８ｆの形状として、第一交線１００を説明するための図である。その線上の点の中に、第二点１０５は含まれるが、第一点１０４が含まれていない第一交線１００の形状を示す図である。図６に示す第一交線１００を有する第一接地部８ｆ、を備えた一輪車２が、Ｘ軸回りに回転するように傾斜した際の、前記一輪車２の姿勢について説明するための図である。その線上の点の中に、第一点１０４は含まれる一方で、第二点１０５が含まれていない第一交線１００の形状を示す図である。図８に示す第一交線１００を有する第一接地部８ｆ、を備えた一輪車２が、Ｘ軸回りに回転するように傾斜した際の、前記一輪車２の姿勢について説明するための図である。第一変形例に係る第一接地部８ｆの第一交線１００の形状を説明するための図である。図５や図１０に相当する図であり、その中央部及び両端部に、第二曲線部１０９を備えた第一交線１００の形状を示した図である。第二変形例に係る第一接地部８ｆの第一交線１００の形状を説明する図であり、図１１に相当する図である。直線部２１０、第三曲線部２２１、及び第四曲線部２２２を備えた第一交線１００の形状を説明する図である。

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。

回転軸回りに回転可能な車輪、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、を備える車であって、前記車輪は、前記回転軸の下方に位置し、該車の動作中に地面に接地可能な接地部、を有し、前記回転軸を含み、その法線の方向が水平方向となる仮想平面を第一仮想平面としたときに、前記接地部と前記第一仮想平面との交線は曲線であり、前記曲線上の点の中には、次の（１）の条件を満たす第一点と、次の（２）の条件を満たす第二点とが含まれることを特徴とする車。
（１）前記第一点を含み、前記第一仮想平面と直交する第二仮想平面であって、該第二仮想平面の法線方向が前記第一点における前記曲線の接線の方向となる第二仮想平面が、前記車の重心よりも下方に位置する。
（２）前記第二点を含み、前記第一仮想平面と直交する第三仮想平面であって、該第三仮想平面の法線方向が前記第二点における前記曲線の接線の方向となる第三仮想平面が、前記車の重心よりも上方に位置する。

他方、回転軸回りに回転可能な車輪、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、を備える車であって、前記車輪は、前記回転軸の下方に位置し、該車の動作中に地面に接地可能な接地部、を有し、前記回転軸を含み、その法線の方向が水平方向となる仮想平面を第一仮想平面としたときに、前記接地部と前記第一仮想平面との交線は、直線部と、曲線部とを有し、前記曲線部上の点の中には、次の（１）の条件を満たす第一点が含まれることを特徴とする車。
（１）前記第一点を含み、前記第一仮想平面と直交する第二仮想平面であって、該第二仮想平面の法線方向が前記第一点における前記曲線部の接線の方向となる第二仮想平面が、前記車の重心よりも下方に位置する。
このようにすれば、前記姿勢を傾斜状態に変化させ易く、かつ、該姿勢を適切な状態に維持させることが可能な車を実現することである。

また、前記交線の両端は、前記車輪に備えられ、前記車の動作中に地面に接地しない非接地部、に隣接し、前記交線の中央は、前記車が直立状態にあるときに接地し、前記交線は、その線上の点がいずれも前記第一点である第一曲線部、及び、その線上の点がいずれも前記第二点である第二曲線部、を備えていることとしてもよい。
他方、前記交線の両端は、前記車輪に備えられ、前記車の動作中に地面に接地しない非接地部、に隣接し、前記交線の中央は、前記車が直立状態にあるときに接地し、前記曲線部の点は、いずれも前記第一点であることとしてもよい。

また、前記第二曲線部は、前記交線の両端部に位置することとしてもよい。
他方、前記直線部は、前記交線の両端部に位置することとしてもよい。
このようにすれば、車が外力を受けた際に、該車が転倒することを防止することができる。

また、前記第二曲線部は、前記交線の中央部に位置することとしてもよい。
他方、前記直線部は、前記交線の中央部に位置することとしてもよい。
このようにすれば、前記車が直立状態にある姿勢を適切に維持することが可能となる。

また、前記姿勢制御機構はコントロールモーメントジャイロであることとしてもよい。
このようにすれば、当該コントロールモーメントジャイロの姿勢制御能力を有効に発揮させることにより、前記姿勢をより適切に制御することが可能となる。

また、前記車輪の数は、一つであることとしてもよい。
このようにすれば、前記車輪の数が一つである場合、車の姿勢は不安定になり易く、前記姿勢を傾斜状態へ変化させることが、より容易になる。

また、回転軸回りに回転可能な車輪、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、を備える車であって、前記車輪は、前記回転軸の下方に位置し、該車の動作中に地面に接地可能な接地部、を有し、前記回転軸を含み、その法線の方向が水平方向となる仮想平面を第一仮想平面としたときに、前記接地部と前記第一仮想平面との交線は曲線であり、前記曲線上の点の中には、次の（１）の条件を満たす第一点と、次の（２）の条件を満たす第二点とが含まれ、前記交線の両端は、前記車輪に備えられ、前記車の動作中に地面に接地しない非接地部、に隣接し、前記交線の中央は、前記車が直立状態にあるときに接地し、前記交線は、その線上の点がいずれも前記第一点である第一曲線部、及び、その線上の点がいずれも前記第二点である第二曲線部、を備え、前記第二曲線部は、前記交線の中央部に位置し、前記姿勢制御機構はコントロールモーメントジャイロであり、前記車輪の数は、一つであることを特徴とする車も実現可能である。
（１）前記第一点を含み、前記第一仮想平面と直交する第二仮想平面であって、該第二仮想平面の法線方向が前記第一点における前記曲線の接線の方向となる第二仮想平面が、前記車の重心よりも下方に位置する。
（２）前記第二点を含み、前記第一仮想平面と直交する第三仮想平面であって、該第三仮想平面の法線方向が前記第二点における前記曲線の接線の方向となる第三仮想平面が、前記車の重心よりも上方に位置する。

他方、回転軸回りに回転可能な車輪、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、を備える車であって、前記車輪は、前記回転軸の下方に位置し、該車の動作中に地面に接地可能な接地部、を有し、前記回転軸を含み、その法線の方向が水平方向となる仮想平面を第一仮想平面としたときに、前記接地部と前記第一仮想平面との交線は、直線部と、曲線部とを有し、前記曲線部上の点の中には、次の（１）の条件を満たす第一点が含まれ、前記交線の両端は、前記車輪に備えられ、前記車の動作中に地面に接地しない非接地部、に隣接し、前記交線の中央は、前記車が直立状態にあるときに接地し、前記曲線部の点は、いずれも前記第一点であり、前記直線部は、前記交線の両端部に位置し、前記直線部は、前記交線の中央部に位置し、前記姿勢制御機構はコントロールモーメントジャイロであり、前記車輪の数は、一つであることを特徴とする車も実現可能である。
（１）前記第一点を含み、前記第一仮想平面と直交する第二仮想平面であって、該第二仮想平面の法線方向が前記第一点における前記曲線部の接線の方向となる第二仮想平面が、前記車の重心よりも下方に位置する。
このようにすれば、既述のほぼ総ての効果を奏するため、本発明の効果がより有効に達成される。

＝＝＝車の構成例＝＝＝
先ず、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、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の移動方向（例えば、走行方向）をＸ軸、一輪車２の車輪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の移動方向（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、一輪車２の車輪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。

さらに、図１乃至図３には、その姿勢が直立状態になっている一輪車２が示されている。なお、本項以降において、直立状態とは、車輪８の回転軸８ａ、及び、ホイール３２の回転軸３２ａの軸方向が水平方向となり、かつ、ジンバル３４の回転軸３４ａの軸方向が鉛直方向となる状態を言うものとする。

一輪車２は、図１に示すように、車体４と、車輪８と、姿勢制御機構の一例としての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）と、を有している。

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、前記車輪８の回転軸８ａに沿う方向の端部には、一輪車２の重心Ｍの位置（図５参照）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、前記カウンタバランス９は、前記カウンタバランス９の中心が前記回転軸８ａ上にある位置で、前記車体４に取り付けられている。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、後述する車輪８の内筒８ｂの内部に設けられていることとしてもよい。

車輪８は、回転軸８ａ回りに回転可能であり、当該車輪８が回転することにより、一輪車２は走行する。この車輪８は、図４に示すように、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、前記車体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は、図４に示すように、円樽状の形状であり、該内筒８ｂよりも外径が大きい。そして、該ゴム部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。また、前記内筒８ｂの内部には、車輪８を回転させる機構としての内部モータ６０が設けられている。

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に示すように、前記ゴム部８ｃの周面全体が、前記接地部８ｄとなっている。すなわち、前記接地部８ｄは、図３に示すように、前記ゴム部８ｃの周面の、前記軸方向の一端部から他端部に亘っている。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の下方に位置する接地部８ｄとしての第一接地部８ｆと、前記回転軸の上方に位置する接地部８ｄとしての第二接地部８ｇとを有している。したがって、前記一輪車２の動作中、前記第一接地部８ｆが接地していることになる。なお、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。

そして、一輪車２の姿勢が、Ｘ軸回りに回転するように（図３中、記号Ｒにて示す方向に回転するように）傾斜し、前記姿勢が前記第一接地部８ｆの前記軸方向の一端部、又は他端部が接地する状態になった場合であっても、後述するＣＭＧ３０の姿勢制御能力が発揮されることにより、前記姿勢は直立状態へ復帰することが可能である。

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、前記一輪車２の姿勢が、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傾斜した場合には、ＣＭＧ３０の姿勢制御能力は前記姿勢を直立状態に復帰させることができなくなる。

なお、本実施の形態においては、接地部８ｄは前記ゴム部８ｃの周面全体であることとしたが、これに限定されるものではない。前記接地部８ｄの範囲、すなわち、前記接地部８ｄと前記非接地部８ｅの境界の位置は、ＣＭＧ３０の姿勢制御能力に依存するものであり、例えば、本実施の形態に係るＣＭＧ３０よりも低い姿勢制御能力を有するＣＭＧ３０を設けた場合には、前記接地部８ｄの範囲は狭くなり、接地部８ｄと非接地部８ｅとの境界は、前記ゴム部８ｃの周面の、前記軸方向の両端部よりも内側に位置することになる。

ここで、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の移動方向）となる仮想平面を第一仮想平面（図２において、記号Ａで示す直線を含み、紙面と直交する平面）としたとき、前記第一接地部８ｆと前記第一仮想平面との交線としての第一交線１００は、図３に示すように曲線となっている。また、当然のことながら、前記第二接地部８ｇと前記第一仮想平面との交線としての第二交線１１０も曲線となっており、第一交線１００及び第二交線１１０は、前記車輪の回転軸８ａを軸としてほぼ対称となっている。一方、前記非接地部８ｅと前記第一仮想平面との第三交線１２０は直線となっている。また、前記第一交線１００の一端１０１及び他端１０２は、それぞれ第三交線１２０、すなわち非接地部８ｅに隣接している。さらに、前記第一交線１００の中央１０３は、一輪車２が直立状態にあるときに接地する位置である。なお、前記第一交線１００の形状の詳細については、後述の『第一交線１００の形状の一例』の項で、説明する。

ＣＭＧ３０は、図１等に示すように、車体４の上方に設けられている。このＣＭＧ３０は、高速回転するホイール（通称、フライホイールと呼ばれる）３２と、当該ホイール３２を保持するジンバル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及び前記ターンテーブル３６を回転させるために、前記ターンテーブル３６に駆動力を伝達するジンバルモータ３８と、を備えている。なお、ホイール３２の回転軸３２ａの軸方向は、車輪８の回転軸８ａの軸方向に沿う方向（すなわち、図１におけるＹ軸方向）であり、また、ジンバル３４の回転軸３４ａの軸方向は、前記回転軸８ａと交差する方向（すなわち、図１におけるＺ軸方向）である。また、ジンバル３４が回転する際の駆動力は、ジンバルモータ３８からベルト・プーリ機構によってターンテーブル３６に伝達され、該駆動力によって、前記ジンバル３４は前記ターンテーブル３６と一体的に回転軸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、これ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。

このＣＭＧ３０は、一輪車２の姿勢を制御することができる。例えば、一輪車２に対し、その姿勢を変化させるような大きな外力が働いて、前記姿勢が傾斜状態に変化した場合には、ＣＭＧ３０は、姿勢制御能力を発揮することにより、一輪車２の姿勢を傾斜状態から直立状態へ復帰させることが可能である。

例えば、Ｘ軸回りに該一輪車２を回転させるような外力が働くと、一輪車２の姿勢は、図３に記号Ｒにて示す方向に回転するように傾斜した状態へ変化する。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の軸方向の変化し、所謂ジャイロ効果によって、Ｘ軸回りに一輪車２を回転させる力（すなわち、前記外力により一輪車２が回転した向き、とは反対の向きに前記一輪車２を回転させる力）が発生し、当該力によって一輪車２の姿勢は直立状態へ復帰することができる。

また、Ｚ軸回りに一輪車２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。かかるホイール３２の加速又は減速による作用により、Ｚ軸回りに一輪車２を回転させるような力が発生し、一輪車２の姿勢は所望の状態（すなわち、一輪車２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。

他方、Ｙ軸回りに該一輪車２を回転させるような外力が働くと、一輪車２の姿勢は、図２に記号Ｐにて示す方向に回転するように傾斜した状態へ変化する。そして、この姿勢変化が検知され、前記姿勢を直立状態に復帰させる際は、車輪８の回転速度が変化する。すなわち、本実施の形態において、Ｙ軸回りに回転するように傾斜した状態の前記姿勢は、ＣＭＧ３０の姿勢制御能力ではなく、車輪８の加速又は減速による作用によって、直立状態へ復帰される。そして、前記車輪８の回転速度の変化によって、Ｙ軸回りに一輪車２を回転させる力（すなわち、前記外力により一輪車２が回転した向き、とは反対の向きに前記一輪車２を回転させる力）が発生する。これにより、一輪車２の姿勢は傾斜状態から直立状態に復帰することができる。なお、本実施の形態においては、Ｙ軸回りに一輪車２を回転させるような外力が働いて、前記姿勢が変化した場合は、車輪８の回転数を変化させることによって、前記姿勢を直立状態へ復帰させることとしたが、これに限定されるものではない。例えば、ホイール３２の回転軸３２ａの軸方向が互いに異なる複数のＣＭＧ３０を一輪車２に設けることにより、Ｙ軸回りに一輪車２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おいても、ＣＭＧ３０の姿勢制御能力を用いて一輪車２の姿勢を直立状態に復帰させるようにしてもよい。

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。

＝＝＝第一交線１００の一例＝＝＝
次に、第一交線１００の一例について、図５を用いて説明する。
図５は、前記第一接地部８ｆの形状として、第一交線１００の形状を説明するための図であり、当該図には前記一輪車２の姿勢が直立状態にあるときの第一交線１００、第二交線１１０、第三交線１２０、及び、前記一輪車２の重心（図５において、記号Ｍで示す）が示されている。なお、図５には、矢印にて、一輪車２の上下方向と、車輪８の回転軸８ａの軸方向とが示されている。また、説明を分かり易くするために、図中、車体４、ＣＭＧ３０等は省略されている。

本実施の形態に係る第一交線１００は、該第一交線１００の中央１０３を通り、車輪８の回転軸８ａと交差する線（すなわち、図３において、ジンバル３４の回転軸３４ａに相当する線）を中心線としたときに、第一交線１００の、前記中心線より前記回転軸８ａの軸方向の一端側の部分（以下、一端側という）の形状と、前記中心線より前記軸方向の他端側の部分（以下、他端側という）の形状とはほぼ線対称となっている。このため、以下においては、第一交線１００の一端部の形状についてのみ説明する。

第一交線１００は、前述したように曲線であり、当該曲線上の点の中には、第一点１０４と第二点１０５とが含まれている。前記第一点１０４及び第二点１０５と、一輪車２の重心Ｍとの位置関係を示すと、第一点１０４は、下記条件（１）を満たす点であり、第二点１０５は下記条件(２)を満たす点である。
（１）第一点１０４を含み、前記第一仮想平面と直交する第二仮想平面であって、該第二仮想平面の法線方向が前記第一点１０４における前記曲線（すなわち、第一交線１００）の接線方向となる第二仮想平面（図５において、直線Ｂ−Ｂを含み、紙面と直交する平面）が、一輪車２の重心Ｍよりも下方に位置する。
（２）第二点１０５を含み、前記第一仮想平面と直交する第三仮想平面であって、該第三仮想平面の法線方向が前記第二点１０５における前記曲線（すなわち、第一交線１００）の接線方向となる第三仮想平面（図５において、直線Ｃ−Ｃを含み、紙面と直交する平面）が、一輪車２の重心Ｍよりも上方に位置する。

本実施の形態において、一輪車２の重心Ｍは、該一輪車２の姿勢が直立状態にある際、前記第一仮想平面上に位置しているが、これに限定されるものではなく、例えば、前記重心Ｍは、前記一輪車２の前記第一仮想平面よりも前方（後方）に位置していることとしてもよい。また、本実施の形態に係る重心Ｍは、一輪車２の姿勢が直立状態にある際、前記第二交線１１０より上方（すなわち、車輪８より上方）に位置していることとしたが、これに限定されるものではない。例えば、前記重心Ｍは、前記姿勢が直立状態にある際、前記第一交線１００と前記第二交線１１０との間に位置することとしてもよい。さらに、前記重心Ｍは、前記第一交線１００の中央１０３を通過し、車輪８の回転軸８ａに交差する仮想直線（すなわち、第一交線１００の中心線）上にある。

そして、第一交線１００は、その線上の点がいずれも前記第一点１０４である第一曲線部１０８と、その線上の点がいずれも前記第二点１０５である第二曲線部１０９とを備えている。さらに、本実施の形態において、前記第二曲線部１０９は、図４に示すように、前記曲線の中央１０３の直近、すなわち、前記第一交線１００の中央部に備えられている。一方、前記第一曲線部１０８は、前記曲線の両端部に備えられ、該第一曲線部１０８の一端部は第前記第二曲線部１０９と隣接している。

一方、前記第一曲線部１０８と前記第二曲線部１０９との境界には、第三点１０６が存在している。この第三点１０６は、前記第一点１０４、又は、第二点１０５のうち、いずれにも属さず、該第三点１０６と一輪車２の重心Ｍとの位置関係を示すと、該第三点１０６は下記条件（３）を満たす点である。
（３）第三点１０６を含み、前記第一仮想平面と直交する第四仮想平面であって、該第四仮想平面の法線方向が前記第三点１０６における前記曲線の接線方向となる第四仮想平面（図５において、直線Ｄ−Ｄを含み、紙面と直交する平面）が、一輪車２の重心Ｍを通過する。
なお、本実施の形態においては、前記重心Ｍが第一交線１００の前記中心線上にあるため、前記中央１０３も前記第三点１０６に属することとなる。

なお、以上のような第一交線１００の形状は、例えば、前記第一交線１００の中央１０３からの距離を変数とする双曲線関数等を用いて表現することが可能である。

＝＝＝本実施の形態に係る車の有効性について＝＝＝
上述したとおり、本実施の形態に係る一輪車２は、回転軸８ａ回りに回転可能な車輪８、を有する一輪車２であって、該一輪車２の姿勢を制御するためのＣＭＧ３０、を備える一輪車２であって、前記車輪８は、前記回転軸８ａの下方に位置し、該一輪車２の動作中に地面に接地可能な第一接地部８ｆ、を有し、前記回転軸８ａを含み、その法線の方向が水平方向となる仮想平面を第一仮想平面としたときに、前記第一接地部８ｆと前記第一仮想平面との第一交線１００は曲線であり、前記曲線上の点の中には、次の（１）の条件を満たす第一点１０４と、次の（２）の条件を満たす第二点１０５と、が含まれている。
（１）前記第一点１０４を含み、前記第一仮想平面と直交する第二仮想平面であって、該第二仮想平面の法線方向が前記第一点１０４における前記曲線の接線の方向となる第二仮想平面が、前記一輪車２の重心Ｍよりも下方に位置する。
（２）前記第二点１０５を含み、前記第一仮想平面と直交する第三仮想平面であって、該第三仮想平面の法線方向が前記第二点１０５における前記曲線の接線の方向となる第三仮想平面が、前記一輪車２の重心Ｍよりも上方に位置する。

ところで、発明が解決しようとする課題の項で説明したとおり、前記一輪車２の姿勢は、該一輪車２の動作に応じて変化可能である必要がある。例えば、前記一輪車２が旋回動作、方向転換動作等を行う際には、前記姿勢を傾斜させる必要があり、また、当該姿勢が傾斜状態し易くなるほど、前記一輪車２の機動性は向上することになる。このため、前記車輪８が有する前記第一接地部８ｆは、前記姿勢が傾斜状態に変化し易くなる形状であることが望ましい。

一方、前記姿勢は、ＣＭＧ３０によって、適切に制御されなければならない。例えば、傾斜状態となった前記姿勢は、前記ＣＭＧ３０の制御により、直立状態へ適切に復帰させる必要がある。しかしながら、前記ＣＭＧ３０の姿勢制御能力には限界があり、前記第一接地部８ｆの形状によっては、前記姿勢が適切な状態に維持されない虞がある。このため、前記第一接地部８ｆの形状は、該姿勢が適切な状態に維持されるように、前記ＣＭＧ３０の姿勢制御能力における限界を考慮した形状でなければならない。

そして、本実施の形態に係る一輪車２は、かかる課題を解決するものである。以下、本実施の形態の有効性について、図６乃至図９を用いて説明する。

図６は、本実施の形態との比較例の一例として、その線上の点の中に、第二点１０５は含まれるが、第一点１０４が含まれていない第一接地部８ｆの第一交線１００の形状を示す図である。図７は、図６に示す第一交線１００を有する第一接地部８ｆ、を備えた一輪車２が、図中、記号Ｒで示す方向に回転するように傾斜した際の、前記一輪車２の姿勢について説明するための図である。図８は、図６と同様、本実施の形態との比較例の一例として、その線上の点の中に、第一点１０４は含まれるが、第二点１０５が含まれていない第一交線１００の形状を示す図である。図９は、図８に示す第一交線１００を有する第一接地部８ｆ、を備えた一輪車２が、図中、記号Ｒで示す方向に回転するように傾斜した際の、前記一輪車２の姿勢について説明するための図である。なお、図６と図８には、矢印にて、車輪８の回転軸８ａの軸方向と、一輪車２の上下方向とが示されている。また、図７と図９には、矢印にて、一輪車２の上下方向が示されている。また、図６及び図８に示された第一交線１００においては、図５に示された第一交線１００と同様、一端側の形状と他端側の形状とがほぼ線対称な形状となっているため、以下においては、第一交線１００の一端側の形状について説明する。また、図６乃至図９においては、説明を分かり易くするために、車体４、ＣＭＧ３０等は省略されている。

車輪８が有する第一接地部８ｆの形状としては、該第一接地部８ｆの第一交線１００が、その線上の点として、第二点１０５を含む一方で、第一点１０４を含まない形状、すなわち、図６に示すような、前記第一交線１００の、前記中央１０３以外の部分が、第二曲線部１０９になっており、第一曲線部１０８が含まれていない形状も考えられる。ここで、当該形状の第一交線１００を有する第一接地部８ｆが一輪車２に備えられた場合、該一輪車２の姿勢が、例えば、図７中、記号Ｒで示す方向に回転するように傾斜すると、前記第一接地部８ｆは、第二点１０５において接地することになる。このとき、図７に示すように、一輪車２の重心Ｍに作用する重力は、一輪車２に対して、方向Ｒとは反対の方向で回転させるような回転モーメント（図７において、矢印にて示す）を与える。すなわち、図６に示される第一交線１００を有する第一接地部８ｆは、前記姿勢を直立状態から方向Ｒに回転するように傾斜した状態に変化させても、該姿勢がＣＭＧ３０を用いることなく、直立状態へ復帰する形状になっている。つまり、かかる形状の第一接地部８ｆが前記一輪車２に備えられている場合には、一輪車２の姿勢は傾斜状態になりにくくなる。そして、前記一輪車２は、旋回動作、方向転換動作等を行うことが困難となり、該一輪車２の機動性も低くなる。

このため、第一接地部８ｆの形状としては、前述したように、前記姿勢が傾斜状態に変化し易くなる形状であることが望ましい。そして、前記姿勢が傾斜状態に変化し易くなる形状としては、該第一接地部８ｆの第一交線１００が、その線上の点として、第一点１０４を含む一方で、第二点１０５を含まない形状、すなわち、図８に示すような、前記第一交線１００の、前記中央１０３以外の部分が、第一曲線部１０８になっており、第二曲線部１０９が含まれていない形状が考えられる。かかる形状の第一交線１００を有する第一接地部８ｆが一輪車２に備えている場合、前記姿勢が、例えば、図９中、記号Ｒで示す方向に回転するように傾斜すると、前記第一接地部８ｆは第一点１０４において接地する。このとき、図９に示すように、一輪車２の重心Ｍに作用する重力は、一輪車２に対して、方向Ｒで更に回転させるような回転モーメント（図９において、矢印にて示す）を与える。すなわち、図８に示される第一交線１００を有する第一接地部８ｆの形状は、図６に示された形状とは異なり、前記姿勢が傾斜状態になりやすい形状である。そして、前記一輪車２の機動性も高くなる。

しかしながら、ＣＭＧ３０の姿勢制御能力には限界があり、図８に示される第一交線１００を有する第一接地部８ｆには、接地させた際に、前記ＣＭＧ３０が前記姿勢を適切に制御することができない部分が存在する。例えば、本実施の形態のように、ＣＭＧ３０が姿勢制御機構として設けられている場合、前記第一接地部８ｆの中央部が接地すると、前記ＣＭＧ３０は前記姿勢を適切に制御できなくなる。具体的に説明すると、前記姿勢が、直立状態から僅かにＸ軸回りに回転するように傾斜した状態に変化し、前記ＣＭＧ３０は前記姿勢を直立状態へ復帰させるような制御を行う。この際、制御ノイズやＣＭＧ３０の分解能の制限等の影響により、ＣＭＧ３０は前記姿勢を適切に制御できなくなり、その結果、前記一輪車２はＸ軸回りに回動するように振動してしまう。

これに対し、本実施の形態に係る第一接地部８ｆの第一交線１００は、その線上の点として、第一点１０４及び第二点１０５の両方を含んでいる。すなわち、前記第一接地部８ｆには、接地した際に一輪車２に対して直立状態に復帰させるようなモーメントを与える部分（以下、直立モーメント発生部分と言う）と、接地した際に前記一輪車２を転倒させるモーメントを与える部分（以下、転倒モーメント発生部分と言う）とが並存している。そして、本実施の形態のように、第一交線１００の両端部が第一曲線部１０８である場合には、前記第一接地部８ｆの両端部が転倒モーメント発生部分になる。この結果、当該両端部が接地している限り、前記姿勢は傾斜状態に変化し易くなる。かかる点においては、本実施の形態に係る第一接地部８ｆの形状は、図８に示された形状と共通する。他方、本実施の形態に係る第一接地部８ｆの形状は、該第一接地部８ｆの第一交線１００の中央部が第二曲線部１０９となっている点で、図８に示された形状と異なっている。すなわち、前記第一接地部８ｆの中央部が前記直立モーメント発生部分になっている。この結果、直立状態にある姿勢が適切に維持されることになる。具体的に説明すると、前記第一交線１００の中央部が第一曲線部１０８である場合、すなわち、前記第一接地部８ｆの中央部が前記転倒モーメント発生部分である場合には、前述したように、一輪車２の振動が生じ、前記ＣＭＧ３０は前記姿勢を直立状態へ適切に復帰させることができなくなる。ここで、前記第一接地部８ｆの中央部を前記転倒モーメント発生部分から前記直立モーメント発生部へ置換することにより、前記姿勢が直立付近の状態にある際、前記姿勢を直立状態に復帰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前記姿勢は直立状態へ復帰させることができる。この結果、前記一輪車２の振動は抑制され、前記姿勢は適切に直立状態に維持されることとなる。

したがって、本実施の形態に係る一輪車２は、上記の形状を有する第一接地部８ｆを備えているため、前記姿勢を傾斜状態に変化させ易く、かつ、該姿勢を適切な状態に維持することも可能である。

＝＝＝第一交線１００の変形例について＝＝＝
上記実施の形態においては、第一交線１００の中央部に、その線上の点がいずれも第二点１０５である第二曲線部１０９が配置し、前記第一交線１００の両端部に、その線上の点がいずれも第一点１０４である第一曲線部１０８が配置している場合（以下、本件例）について説明した。しかし、第一交線１００の形状については、これに限定されるものではなく、他の例も考えられる。本項では、第一交線１００の形状の、他の例（以下、第一変形例、及び、第二変形例とする）について説明する。なお、各変形例に係る第一交線１００においては、本件例に係る第一交線１００と同様、一端側の形状と他端側の形状とが、ほぼ線対称であるため、以降、第一交線１００の一端部の形状についてのみ説明することとする。

＜＜第一交線１００の第一変形例について＞＞
先ず、第一変形例について、図１０及び図１１を用いて説明する。図１０は、第一変形例に係る第一接地部８ｆの第一交線１００の形状を説明するための図である。図１１については、後述する。また、図１０と図１１には、矢印にて、車輪８の回転軸８ａの軸方向と、一輪車２の上下方向とが示されている。また、説明を分かり易くするために、図中、車体４、ＣＭＧ３０等は省略されている。

図１０に示すように、本変形例に係る第一接地部８ｆの第一交線１００の中央部は第一曲線部１０８であるため、前記第一接地部８ｆの中央部が接地している限り、前記姿勢は傾斜状態に変化し易くなる。かかる点において、本変形例に係る第一接地部８ｆの形状は、図８に示された形状と共通するが、前記第一交線１００の両端部が第二曲線部１０９となっている点で、図８に示された形状と異なっている。この結果、一輪車２の転倒を防止することができる。具体的に説明すると、第一接地部８ｆの両端部は、前記第一接地部８ｆと前記非接地部８ｅとの境界に近いため、当該両端部が前記転倒モーメント発生部である場合には、前記両端部が接地している状態にある一輪車２に対して、更に傾斜させるような外力等が働くと、該一輪車２は転倒してしまう虞がある。ここで、前記第一接地部８ｆの両端部を前記転倒モーメント発生部分から前記直立モーメント発生部分に置き換えることにより、前記両端部が接地した場合、前記姿勢を直立状態に復帰させるモーメントが発生するため、一輪車２の転倒が防止されることになる。

また、第一交線１００は、図１１に示すように、該第一交線１００の中央部及び両端部に、第二曲線部１０９を備えていることとしてもよい。図１１は、図５や図１０に相当する図であり、その中央部及び両端部に、第二曲線部１０９を備えた第一交線１００の形状を示す図である。第一交線１００が、図１１に示す形状である場合には、本件例の実施の形態における効果（すなわち、一輪車２が姿勢を適切に直立状態に維持する効果）と、前記第一変形例の実施の形態における効果（すなわち、一輪車２の転倒を防止する効果）とが、ともに発揮される。

＜＜第一交線１００の第二変形例について＞＞
次に、第二変形例について、図１２及び図１３を用いて説明する。図１２は、第二変形例に係る第一接地部８ｆの第一交線１００の形状を説明する図であり、図１１に相当する図である。図１３については、後述する。なお、図１２及び図１３には、矢印にて、車輪８の回転軸８ａの軸方向と、一輪車２の上下方向をそれぞれ示している。また、図１２及び図１３においては、説明を分かり易くするために、車体４、ＣＭＧ３０等は省略されている。

本件例、及び、第一変形例の実施の形態において、第一交線１００は曲線であり、第一曲線部１０８と、第二曲線部１０９とを備えていた。ここで、前記第二曲線部１０９は、前記第一接地部８ｆにおける直立モーメント発生部分に相当する。そして、前述したように、当該直立モーメント発生部分が前記第一接地部８ｆの中央部にある場合、前記一輪車２は前記姿勢を適切に直立状態に維持することができる。一方、前記直立モーメント発生部分が前記第一接地部８ｆの両端部にある場合には、一輪車２の転倒を防止することができる。ただし、これらの効果を発揮させる第一交線１００の形状は、該第一交線１００が第二曲線部１０９を備えている場合に限定されるものではない。例えば、当該第二曲線部１０９の効果と同様の効果を有する部分として、前記第一交線１００が直線部２１０を備えていてもよい。つまり、前記第一接地部８ｆが前記直線部２１０に相当する部分を有し、当該部分が接地している場合には、一輪車２の姿勢は、当該部分が接地している状態を維持する。したがって、本件例、或いは、第一変形例において、第二曲線部１０９を直線部２１０に置換することにより、前記一輪車２が姿勢を適切に直立状態に維持する効果、又は、一輪車２の転倒を防止する効果が発揮されることになる。また、第二変形例の実施の形態において、第一交線１００は、図１２に示すように、直線部２１０の他に、曲線部２２０を備えている。そして、この曲線部２２０の上の点はいずれも第一点１０４である。すなわち、前記曲線部２２０は、本件例における第一曲線部１０８に相当する。したがって、第二変形例に係る直線部２１０は、本件例に係る第二曲線部１０９と同様の効果を奏するため、第二変形例の実施の形態に係る一輪車２も、前記姿勢を傾斜状態に変化させ易く、かつ、該姿勢を適切に制御することが可能である。さらに、第二変形例の実施の形態においては、図１２に示すように、第一交線１００の両端部及び中央部に、前記直線部２１０が備えられている。かかる場合には、第一変形例と同様、一輪車２の転倒を防止する効果と、一輪車２が前記姿勢を適切に直立状態に維持する効果とが、ともに発揮されることとなる。

以上のように、第二変形例に係る第一交線１００は、直線部２１０と曲線部２２０とを有し、該第一交線１００の中央部及び両端部に、前記直線部２１０が備えられていることとしたが、これに限定されるものではない。例えば、前記直線部は、前記第一交線１００の中央部、又は、両端部のいずれか一方にのみ備えられていることとしてもよい。ただし、一輪車２の転倒を防止する効果と、一輪車２が姿勢を適切に直立状態に維持する効果とが、ともに発揮される点において、第二変形例の実施の形態の方がより望ましい。

また、第二変形例においては、前記曲線部２２０上の点が、いずれも第一点１０４であることとしたが、これに限定されるものではない。例えば、図１３に示すように、前記曲線部２２０上の点の中に、第二点１０５が含まれていることとしてもよい。すなわち、前記曲線部２２０には、その線上の点がいずれも第一点１０４である第三曲線部２２１（すなわち、本件例に係る第一曲線部１０８に相当する部分）と、その線上の点がいずれも第二点１０５である第四曲線部２２２（すなわち、本件例に係る第二曲線部１０９に相当する部分）とが備えられている場合も考えられる。なお、図１３は、直線部２１０、第三曲線部２２１、及び第四曲線部２２２を備えた第一交線１００の形状を説明する図である。そして、本変形例の実施の形態においては、図１３に示すように、第一交線１００の中央部から、直線部２１０、第四曲線部２２２、第三曲線部２２１、及び直線部２１０が、当該順序で前記第一交線１００に備えられている。かかる形状の第一接地部８ｆを有する一輪車２においても、一輪車２の転倒を防止する効果と、前記一輪車２が姿勢を適切に直立状態に維持する効果が、ともに発揮されることとなる。

＝＝＝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。

なお、上記実施の形態においては、姿勢制御機構としてＣＭＧ３０を例にとって説明したが、これに限定されるものではない。他の姿勢制御機構としては、回転速度を制御することが可能なホイール（一般的にリアクションホイールと呼ばれているもの）等が挙げられ、これらを一輪車２に設けてもよい。ただし、一輪車２に対し、その姿勢を変化させるような大きな外力が働いた場合でも、一輪車２の姿勢を適切に制御することができる。このため、前記ＣＭＧ３０の姿勢制御能力が有効に発揮されることによって、一輪車２の姿勢がより適切に制御されることになる。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、ＣＭＧ３０は、回転可能なホイール３２を有し、該ホイール３２の回転軸３２ａの軸方向は、一輪車２の上下方向（Ｚ軸）に沿うこととしたが、これに限定されるものではない。例えば、車の移動方向（Ｘ軸）に沿うこととしてもよいし、車輪８の回転軸８ａの軸方向（Ｙ軸）に沿うこととしてもよい。

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、四輪車等にも本発明を適用可能である。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て車の姿勢が不安定になり易いため、該姿勢を傾斜状態へ変化させることが、より容易になる。かかる点で、上記実施の形態の方がより望ましい。

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
１０１一端１０２他端
１０３中央１０４第一点
１０５第二点１０６第三点
１０８第一曲線部１０９第二曲線部
１１０第二交線１２０第三交線
２１０直線部２２０曲線部
２２１第三曲線部２２２第四曲線部

Claims

回転軸回りに回転可能な車輪、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、を備える車であって、
前記車輪は、
前記回転軸の下方に位置し、該車の動作中に地面に接地可能な接地部、
を有し、
前記回転軸を含み、その法線の方向が水平方向となる仮想平面を第一仮想平面としたときに、
前記接地部と前記第一仮想平面との交線は、直線部と、曲線部とを有し、
前記曲線部上の点の中には、次の（１）の条件を満たす第一点が含まれることを特徴とする車であり、
前記交線の両端は、
前記車輪に備えられ、前記車の動作中に地面に接地しない非接地部、
に隣接し、
前記交線の中央は、前記車が直立状態にあるときに接地し、
前記曲線部の点は、いずれも前記第一点であり、
前記直線部は、前記交線の両端部、及び、前記交線の中央部に位置することを特徴とする車。
（１）前記第一点を含み、前記第一仮想平面と直交する第二仮想平面であって、該第二仮想平面の法線方向が前記第一点における前記曲線部の接線の方向となる第二仮想平面が、前記車の重心よりも下方に位置する。
請求項１に記載の車において、
前記姿勢制御機構はコントロールモーメントジャイロであることを特徴とする車。
請求項１又は請求項２に記載の車において、
前記車輪の数は、一つであることを特徴とする車。