JPH0971288A - 駆動補助手段を具えた人力装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 使用者が人力Ｆを人力装置に加えたときに、
人力装置が人力Ｆに比例した一定のトルクＴ_refで駆動
するよう制御することであって、人力によるトルクの不
足分を駆動補助手段によって補ない、使用者が人力装置
に加えねばならない負荷変動をなくし、操作性及び乗り
心地の向上を図る。 【解決手段】 人力Ｆの大きさを検出する人力検出手段
５と、人力Ｆによって駆動軸11に加わるトルクＴを検出
し、人力検出手段５の測定値に応じて駆動補助手段３が
出力すべき動力の大きさを制御する制御手段４とを具え
る。制御手段４は、人力Ｆに対応して駆動軸11に加える
べき目標合成トルクＴ_refを決定し、人力Ｆによって駆
動軸11に加わるトルクＴと、トルクＴ_refとに応じたト
ルクＴ_Mを駆動補助手段３が駆動軸11に加える制御を行
なう。トルクＴ_refと、トルクＴとの関係とは、トルク
Ｔ_refとトルクＴとの差であって、トルクＴ_Mは、Ｔ_ref
−Ｔとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自転車、３輪車、
車椅子、手漕ぎボート等の人力で駆動する装置に電動モ
ータ等の駆動補助手段を取り付けた人力装置及びその制
御方法に関するものであり、特に使用者に必要な負荷を
平滑化する人力装置及びその制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、人力により駆動する装置に、電動
モータ等の駆動補助手段を配備し、使用者の負荷を軽減
する装置が知られている。例えば、特開平4-244496号公
報には、自転車の駆動系に電動モータを連繋し、図１１
に示す如く、ペダルの踏込みによって駆動軸(11)に加え
られるトルクＴ_cp(ステップ１)と、ペダルの回転速度Ｎ
_c(ステップ２)を夫々検出し、これら値の積(ステップ
３)に比例した制御電圧を電動モータに印加し(ステップ
４、５)、使用者による駆動の補助を行なう方法が開示
されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】自転車のペダルを経て
駆動軸に加えられる回転トルクＴは、図９に示す如く、
使用者がペダルを踏む垂直方向の力Ｆと、ペダルを取り
付けたクランクアーム基端の回転中心からペダルまでの
水平距離Ｌ’との積(Ｆ×Ｌ’)で示される。ここで、ペ
ダルと回転中心との水平距離Ｌ’は、クランク長Ｌ(一
定値)、左側のペダル(図９に示すペダル)の垂直方向か
らの回転角度をθとすると、Ｌ’＝Ｌ×sinθで示され
る。左側のペダルの回転角度が０°≦θ<180°である場
合、人力Ｆは、左側のペダルにのみ作用し、右側のペダ
ル(図示せず)には、人力は作用しない。又、左側のペダ
ルの回転角度が180°≦θ＜360°の場合、人力Ｆは、右
側のペダルにのみ作用する。従って、人力Ｆによって駆
動系に加えられるトルクＴは、使用者がペダルを一定踏
力(Ｆ＝一定)且つ一定回転速度で漕いだ場合(Ｎ_c＝一
定)、次式及び図１０によって示される。

【０００４】

【数１】

【０００５】電動モータが駆動系に加える補助トルクＴ
_Mが、ペダルによって駆動軸(11)に加えられる人力トル
クＴに比例する場合、補助トルクＴ_Mは、図１０の一点
鎖線の如く示され、更に、これらを合成したトルク(Ｔ
＋Ｔ_M)は図１０の点線にて示される。図から判る通り、
合成トルク(Ｔ＋Ｔ_M)は、ペダルの回転角度に応じて大
きく変動している。合成トルク(Ｔ＋Ｔ_M)が大きく変動
すると、自転車の速度も増減し、操作性及び乗り心地が
低下する。この問題点は、従来は人力のトルクＴを基準
にして、必要な補助トルクＴ_Mを算出しているためであ
る。

【０００６】人力トルクＴは、人力Ｆには比例せず、図
９から明らかな通り、ペダルの上死点、下死点では、人
力Ｆが大きくとも人力トルクＴは、零又は極めて小さ
い。そのため、必要な回転力を得るには、ペダルの上死
点では、ペダルを強く踏まなければならず、使用者を疲
労させている。発明者らは、ペダルを踏む人力Ｆに基づ
いて、補助トルクを発生させた場合、人力Ｆは、殆ど一
定の儘で、必要な回転力を得ることが出来ることを着想
した。

【０００７】本発明の目的は、使用者が人力Ｆを人力装
置に加えたときに、人力装置が人力Ｆに比例した一定の
トルクＴ_refで駆動するよう制御することであって、人
力によるトルクの不足分を駆動補助手段によって補な
い、使用者が人力装置に加えねばならない負荷変動をな
くし、操作性及び乗り心地の向上を図ることである。

【０００８】

【課題を解決する為の手段】上記課題を解決するため
に、本発明の駆動補助手段を具えた人力装置に於いて
は、人力Ｆの大きさを検出又は算出する人力検出手段
(５)と、人力Ｆによって駆動軸(11)に加わるトルクＴを
検出し、人力検出手段(５)の測定値に応じて駆動補助手
段(３)が出力すべき動力の大きさを制御する制御手段
(４)とを具える。制御手段(４)は、人力Ｆに対応して駆
動軸(11)に加えるべき目標合成トルクＴ_refを決定し、
人力Ｆによって駆動軸(11)に加わるトルクＴと、目標合
成トルクＴ_refとに応じたトルクＴ_Mを駆動補助手段(３)
が駆動軸(11)に加える制御を行なう。

【０００９】又、本発明の駆動補助手段を具えた人力装
置の制御方法に於いては、駆動手段(２)に加わる人力Ｆ
を検出又は算出し、人力Ｆによって駆動軸(11)に加わる
トルクＴを検出し、人力Ｆに応じて駆動軸(11)に加える
目標合成トルクＴ_refを決定し、人力Ｆによって駆動軸
(11)に加わる人力トルクＴと目標合成トルクＴ_refに応
じたトルクＴ_Mを駆動補助手段(３)が駆動軸(11)に加え
る制御を行なう。

【００１０】上記目標合成トルクＴ_refと、人力Ｆによ
るトルクＴとの関係とは、目標合成トルクＴ_refとトル
クＴとの差であって、駆動補助手段(３)が駆動軸(11)に
加えるトルクＴ_Mは、Ｔ_ref−Ｔとする。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について説明
する。以下では、人力装置(１)として自転車(６)を用
い、駆動補助手段(３)として電動モータ(30)を用いた例
について述べる。しかしながら、本発明は、自転車(６)
に限定されず、人力を駆動源として利用する装置、例え
ば３輪自転車、車椅子、手漕ぎボート等にも適用可能で
ある。尚、以下の説明で、「前」とは前輪(62)側、
「左」とは、自転車(６)を後から見た場合の左側を意味
する。電動モータ付自転車(６)は、図１に示す如く、フ
レーム(61)の前部にハンドル(60)及び前輪(62)が配備さ
れ、フレーム(61)の中央上部には、サドル(63)が設けら
れている。フレーム(61)の中央下部及び後部には、無端
状のチェーン(64)を張設したスプロケット(65)(66)が夫
々配備され、前方のスプロケット(65)(以下「駆動スプ
ロケット」)には、後述する人力検出手段(５)を具えた
クランク軸(７)を介してペダル(８)が装着される。後部
スプロケット(66)には、後輪(62a)が配備され、ペダル
(８)を回転駆動することにより、チェーン(64)が走行し
て後輪(62a)が回転する。

【００１２】電動モータ(30)は、直流駆動式のモータで
あって、上記チェーン(64)に減速機構(32)を介して連繋
される。電動モータ(30)には、給電機構(31)が接続さ
れ、該給電機構(31)は、制御手段(４)に接続され、制御
される。給電機構(31)、電動モータ(30)及び減速機構(3
2)は、自転車(６)中央のフレーム(61)上に配備される。

【００１３】駆動手段(２)は、図２及び図３に示す如
く、前記駆動スプロケットと、クランク軸(７)及びペダ
ル(８)とから構成される。クランク軸(７)は、フレーム
(61)に配備された軸受け(75)に回転自由に支持され、駆
動スプロケット(65)を具えた駆動軸(11)と、該駆動軸(1
1)の両端から夫々駆動軸(11)に対して垂直に突設された
クランクアーム(72)と、各クランクアーム(72)の先端か
ら駆動軸(11)と平行に突設されたクランクピン(73)とか
ら構成される。クランクピン(73)の先端には、回転自由
にペダル(８)が配備される。図２及び図３に示す如く、
駆動軸(11)とクランクピン(73)の各軸心間の距離をＬと
する。

【００１４】駆動軸(11)及び後述するペダル(８)の内部
には、人力検出手段(５)が配備される。駆動軸(11)の略
中央より左側の内部には、クランクアーム(72)、クラン
クピン(73)の内部を連通するオイル孔(９)が開設されて
いる。該オイル孔(９)の駆動軸(11)側端部には、オイル
孔(９)と後述するオイル溜め(91)を連通する孔(90)が貫
通開設されており、オイル孔(９)及びオイル溜め(91)に
は、オイル(94)が充填されている。又、オイル孔(９)の
クランクピン(73)側端部には、テーパーピン（９３）が
摺動可能に配備され、オイル孔（９)を閉じている。テ
ーパーピン(93)は、先端にテーパーが形成されており、
他端がオイル孔(９)にスライド可能且つオイル孔(９)を
液密な状態に保って、オイル孔(９)に嵌められる。テー
パーピン(93)は、ペダル(８)に配備されたバネ(87)によ
りクランクピン(73)とは逆向きの方向に付勢されてい
る。

【００１５】又、駆動軸(11)の左端付近の外周には、歯
車(74)が切られており、該歯車(74)にクランク軸(７)の
回転角度θを検出する公知の回転型のポテンショメータ
(52)の軸(52a)に配備された歯車(52b)が噛合している。
ポテンショメータ(52)は、後述する電気回路(42)に電気
的に接続されている。尚、クランク軸(７)の回転角度θ
は、図３に示す如く、駆動軸(11)を通る平面とクランク
アーム(72)とのなす角度であって、クランクアーム(72)
と該平面が平行且つ左側のクランクアーム(72)が上方に
位置しているときを０度とする。

【００１６】オイル溜め(91)は、駆動軸(11)の周囲に配
備された筒体であって、内部にオイル(94)が充填され、
筒体の両端に設けられたオイルシールを具えた軸受け(9
1a)にて、駆動軸(11)を回転自由に支持している。筒体
の側面には、クランク軸(７)内部のオイル孔(９)の径よ
りも小径の検出孔(92)が貫通開設され、該検出孔(92)に
は、踏力を検出するポテンショメータ(53)が摺動可能に
配備されている。踏力検出用のポテンショメータ(53)
は、公知の直動型のポテンショメータ(53)であって、後
述する電気回路(42)に電気的に接続され、ポテンショメ
ータ(53)の軸(53a)がオイル溜め(91)の油圧の変化に比
例して検出孔(92)を摺動する。踏力検出用のポテンショ
メータ(53)をクランク軸(７)に直接配備しないのは、ク
ランク軸(７)は回転するため、クランク軸(７)に取り付
けると配線が複雑となるからである。又、検出孔(92)を
クランク軸(７)内部のオイル孔(９)よりも小径としたの
は、テーパーピン(93)の摺動による位相量を検出孔(92)
にて敏感に精度良く検出するためである。

【００１７】クランクピン(73)の先端には、図２及び図
３に示す如く、ペダル(８)が回転自由に配備される。ペ
ダル(８)は、使用者の踏力が加わる踏み板(81)を具えて
いる。踏み板(81)は、左右の側板(84)に開設された溝(8
4a)に沿って上下方向にスライド可能であって、各踏み
板(81)の筐体内部略中央には、端部の略中央に断面が半
円径のテーパー受溝(83)を開設したテーパー板(82)が配
備され、クランク軸(７)の先端にスライド可能に配備さ
れたテーパーピン(93)が摺動する。又、左側の側板(84)
には内側方向に板片(85)が突設されており、該板片(85)
に踏み板(81)を夫々外側に押し出す方向に付勢するバネ
(86)が配備されている。更に、板片(85)の左端とテーパ
ーピン(93)のテーパー先端の間にバネ(87)が配備され、
テーパーピン（93）をクランクピン（73）とは逆向きの
方向、即ち板片(85)方向に付勢している。

【００１８】上記構成の人力検出手段(５)のポテンショ
メータ(52)(53)は、制御手段(４)である電気回路(42)に
よって制御される。図４に示す如く、電気回路(42)は、
中央演算回路(ＣＰＵ(43))を主体に構成されており、該
ＣＰＵ(43)には、比較演算回路(44)と、検出される人力
Ｆとそれに対応する目標合成トルクＴ_ref等のデータが
格納されたメモリ(45)と、給電機構(31)を制御する駆動
制御回路(46)が接続される。比較演算回路(44)には、前
記踏力検出用ポテンショメータ(53)とクランク角度検出
用のポテンショメータ(52)が図示省略する増幅回路及び
Ａ／Ｄ変換回路を介して接続されている。メモリ(45)に
は、上記データの他に、後述する補助トルクデータを格
納する機能を有している。

【００１９】上記構成の電動モータ付自転車(６)の動作
について、フローチャート図５に沿って説明する。尚、
以下の制御では、左側のペダル(８)が前方、即ち０°≦
θ＜180°(以下「前半周期」)である場合に、人力Ｆを
測定し、180°≦θ＜360°(以下「後半周期」)である場
合には、直前の前半周期と同一の人力Ｆが加わわるもの
と仮定して、後半周期の電動モータ(30)によるトルクの
補助は、前半周期と同一のトルクの補助を行なうものと
する。使用者がペダル(８)に足を載せペダル(８)を漕ぐ
と、踏み板(81)に使用者の踏力が加わる。このときのク
ランクアーム(72)の回転角度θをクランク角度検出用の
ポテンショメータ(52)で測定する(ステップ１)。上述し
た通り、自転車(６)は、前方に位置するペダル(８)にの
み、使用者の力が加わる。回転角度θは、クランク角度
検出用ポテンショメータ(52)により抵抗値として測定さ
れ、電気回路(42)に送られる。測定されたクランク角度
θが前半周期である場合、以下に示す通り、ペダル(８)
にかかる踏力を測定する(ステップ２)。測定されたクラ
ンク角度θが後半周期である場合については、後述す
る。

【００２０】クランク角度が前半周期である場合、上記
動作と平行して、ペダル(８)にかかる踏力Ｆを測定する
(ステップ３)。使用者がペダル(８)を踏むことにより、
踏み板(81)がバネ(86)の抗力に反して下方に押し下げら
れ、テーパー板(82)のテーパー受け溝(83)に沿ってテー
パーピン(93)がオイル孔(９)内部に後退する。テーパー
ピン(93)の移動によってオイル孔(９)内のオイル(94)の
一部がオイル溜め(91)に流出し、踏力検出用のポテンシ
ョメータ(53)の軸(53a)を押し上げる。踏力検出用のポ
テンショメータ(53)の軸(53a)の移動は、抵抗値として
電気回路(42)に送られる。比較演算回路(44)には、踏力
検出用ポテンショメータ(53)及びクランク角度検出用の
ポテンショメータ(52)の測定値が抵抗値として入力され
る。これら抵抗値は、増幅され、Ａ／Ｄ変換された後、
比較演算回路(44)に入力される。

【００２１】比較演算回路(44)では、これら抵抗値から
踏力Ｆ及びクランク回転角度θを求め、人力Ｆがクラン
ク軸(７)に加えるトルクＴ＝Ｆsinθ×Ｌを算出する。
尚、左側のペダル(８)の踏力Ｆは図７に、トルクＴは図
８の実線にて示される。同時に、踏力Ｆに対する目標合
成トルクＴ_ref(図８の点線)をメモリ(45)から導出する
(ステップ４)。次に、トルクＴとの差(Ｔ_ref−Ｔ、図８
のＡ)から電動モータ(30)による補助トルクＴ_M＝Ｔ_ref
−Ｔを算出し(ステップ５、図８の一点鎖線)、補助トル
クデータとしてメモリ(45)に格納する(ステップ６)と共
に、補助トルクＴ_Mを電動モータ(30)がクランク軸(７)
に供給するために必要な電流値Ｉ＝Ｔ_M／Ｋ(Ｋ：トルク
定数)を算出し、駆動制御回路(46)に送信する(ステップ
７)。駆動制御回路(46)は、給電機構(31)がその時点で
給電中の電流値Ｉ₀に、送信された電流値Ｉを加えた電
流値Ｉ’＝Ｉ₀＋Ｉを流す指令を給電機構(31)に送信す
る。電動モータ(30)によってクランク軸(７)にトルクＴ
_Mを加えられる(ステップ８)と、補助トルクＴ_Mとトルク
Ｔとの和が目標合成トルクＴ_refに一致する。従って、
電動モータ付自転車(６)がトルクＴ_refにて走行する。

【００２２】クランク角度が後半周期である場合、電動
モータ(30)が前半周期の補助トルクＴ_Mを継続して加え
る。即ち、上記ステップ６にてメモリ(45)に格納された
補助トルクデータを用い、前半周期と同一の電流値Ｉ’
にて電動モータ(30)を駆動する(ステップ７)。

【００２３】使用者が自転車(６)を漕ぐ間、上記動作を
繰り返す。これにより、使用者の踏力に基づいて決定さ
れるトルクによって自転車(６)が駆動される。踏力によ
って発生するトルクが目標トルクに満たない場合には、
電動モータ(30)によってクランク軸(７)の駆動を補助さ
れる。

【００２４】図６は、ペダル(８)の踏力を検出する手段
の他の実施例である。上記クランク軸(７)のオイル孔
(９)にオイル(94)に代えてワイヤ(95)を配備し、該ワイ
ヤの一端をテーパーピン(93)に連繋し、他端を駆動軸(1
1)の壁面に開設された孔(90)に揺動可能に軸支されたて
こ(96)の一端に連繋している。てこ(96)の他端は、駆動
軸(11)をスライド可能に配備された円板(97)に当接して
おり、該円板(97)に直動型のポテンショメータ(53)の軸
(53a)が円板(97)を常に付勢した状態で当接した構成と
している。踏力がペダル(８)に加わると、円板(97)がて
こ(96)によって押されて移動し、ポテンショメータ(53)
の軸(53a)を押し込む。ポテンショメータ(53)の軸(53a)
の移動量は、上記と同様、抵抗値として電気回路に送信
され、上記と同様ペダル(８)の踏力が演算される。

【００２５】上記発明の実施の形態の説明は、本発明を
説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の
発明を限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではな
い。又、本発明の各部構成は上記例に限らず、特許請求
の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である
ことは勿論である。

【００２６】例えば、上記実施例では、踏力を検出する
手段をクランク軸(７)の左側に配備したが、人力検出手
段(５)は、右側又は両方に取り付けてもよい。又、駆動
軸(11)に歪センサー等を取り付け、クランク角度を検出
する手段と歪センサーの検出値より、踏力を算出し、上
記制御を行なうことも出来る。

【００２７】

【発明の効果】上記構成の駆動補助手段(３)を具えた人
力装置(１)及びその制御方法によれば、使用者が人力装
置(１)を駆動する力Ｆに基づいて補助トルクＴ_Mを発生
させ、人力ＦによるトルクＴ及び補助トルク_Mによって
人力装置(１)を一定のトルクＴ_{r ef}で駆動することが出
来る。使用者によって発生するトルクＴが目標トルクＴ
_refに達しない場合は、駆動補助手段(３)によって駆動
力の補助を行なって、駆動トルクを目標トルクＴ_refに
一致させる。従って、人力装置(１)を一定のトルクＴ
_refで駆動する場合に、使用者が加えねばならない負荷
の変動がなくなり、使用者の疲労が軽減され、操作性及
び乗り心地が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】電動モータ付自転車の側面図である。

【図２】クランク軸の断面図である。

【図３】ペダルの断面図である。

【図４】電気回路を示す図である。

【図５】本発明の動作の流れを示すフローチャート図で
ある。

【図６】駆動手段の一部断面図である。

【図７】踏力Ｆを示すグラフである。

【図８】トルクＴ、Ｔ_ref及びＴ_Mを示すグラフである。

【図９】駆動軸及びペダルの側面図である。

【図１０】従来のトルクＴと補助トルクＴ_Mを示すグラ
フである。

【図１１】従来の動作の流れを示すフローチャート図で
ある。

【符号の説明】

(１) 人力装置 (２) 駆動手段 (３) 駆動補助手段 (30) 電動モータ (４) 制御手段 (５) 人力検出手段 (42) 電気回路 (６) 電動モータ付自転車 (７) クランク軸 (８) ペダル

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動軸(11)に連結された人力によって該
   駆動軸(11)を駆動する人力駆動手段(２)及び、駆動軸(1
   1)に連繋して人力駆動手段による駆動軸(11)の駆動に対
   し、動力によって補助する駆動補助手段(３)を具えた人
   力装置であって、 人力Ｆの大きさを検出又は算出する人力検出手段(５)
   と、 人力ＦによるトルクＴを検出し、人力検出手段(５)によ
   る人力Ｆの測定値に応じて駆動補助手段(３)が出力すべ
   き動力の大きさを制御する制御手段(４)とを具え、 該制御手段(４)は、人力Ｆに対応して駆動軸(11)に加え
   るべき目標合成トルクＴ_refを決定し、人力Ｆによって
   駆動軸(11)に加わるトルクＴと、目標合成トルクＴ_ref
   とに応じたトルクＴ_Mを駆動補助手段(３)が駆動軸(11)
   に加える制御を行なうことを特徴とする駆動補助手段を
   具えた人力装置。
2. 【請求項２】 目標合成トルクＴ_refと、人力Ｆによる
   トルクＴとの関係とは、目標合成トルクＴ_refとトルク
   Ｔとの差であって、駆動補助手段(３)が駆動軸(11)に加
   えるトルクＴ_Mは、Ｔ_ref−Ｔであることを特徴とする請
   求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】 駆動軸(11)に連結された人力によって該
   駆動軸(11)を駆動する人力駆動手段(２)及び、駆動軸(1
   1)に連繋して、人力駆動手段による駆動軸(11)の駆動に
   対し、動力によって補助する駆動補助手段(３)を制御す
   る方法であって、 駆動手段(２)に加わる人力Ｆの大きさを検出又は算出
   し、人力トルクＴを検出し、人力Ｆに応じて駆動軸(11)
   に加える目標合成トルクＴ_refを決定し、人力Ｆによっ
   て駆動軸(11)に加わるトルクＴと、目標合成トルクＴ
   _refとに応じたトルクＴ_Mを駆動補助手段(３)が駆動軸(1
   1)に加える制御を行なうことを特徴とする人力装置の制
   御方法。
4. 【請求項４】 目標合成トルクＴ_refと人力Ｆによって
   駆動軸(11)に加わるトルクＴとの関係とは、目標合成ト
   ルクＴ_refとトルクＴとの差であって、駆動補助手段
   (３)が駆動軸(11)に加えるトルクＴ_Mは、Ｔ_ref−Ｔに一
   致することを特徴とする請求項３に記載の制御方法。