自転車のペダルに組み込むだけで電動アシストに早変わり 93
ストーリー by soara
足首を痛めそう 部門より
足首を痛めそう 部門より
WIREDに、自転車のペダルに電動アシストを内蔵する新発明という記事が掲載されている。詳細はリンク先を参照していただきたいが、英国の発明家が通常の自転車に取り付けるだけで電動アシスト化できる器具を考案した、という内容だ。
いまどきは自動車をEVに改造する人もいるくらいだから別に珍しいことでもないが、この発明のポイントは「バッテリやモーターが 1対のペダルに組み込まれていて、取り付けに必要な作業は自転車のペダル交換だけ。追加のハードウェアは一切必要ない」というところである。
この発明について、記事を書いたCharlie Sorrel氏は疑問を感じたようで「これは実際に機能するのだろうか」と読者の見解を求めている。
これが「ペダル単体で自転車が動くか」という問題であれば、空回りするだけだろうから効果はないだろう。ただ、実際に使用される場面ではペダルの空回りを妨げる漕ぎ手の足が上に乗っており、こうなると話は少し複雑になる。氏自身もペダルを10分ほど回して考えてみたそうだが、機能しないと断言できるまで至らなかったようだ。
元の英語版WIREDの記事に対する読者コメントには、"Snake oil"(いんちき)という意見もあれば "Of course it works" という意見もある。そこで、/.J諸氏のご意見を伺いたい。この電動アシストペダルは機能するのだろうか?
エネルギーと出力 (スコア:3, すばらしい洞察)
自転車の推進にはそれなりのエネルギーが必要ですが、
ペダルの体積にそれだけ納められるか疑問です。
だいたい200wから300wくらいの出力が必要だけど、
ペダルの体積がすべて電池だとして、何分持続するでしょうか?
また、必要なトルクもそれなりに大きいけど、ペダルに収まる径で
それを発生できるか?
と考えると、やっぱり無理があるなぁ。
人間の入力に対して10%アシスト、とかだと出来るかもしれません。
(ちなみに日本で発売されてるアシスト自転車は、人力に対して100％から200%くらいのモーター出力。)
Re:エネルギーと出力 (スコア:1)
ただし、200Wものエネルギーでペダルが回転したら体重で押さえつけ切れなくて空転するだけでしょうね。
たとえば50kgの体重を1つのペダルにかけて、それで体重で押さえ込めるぎりぎりのペダルの回転トルクを考えると、ペダルの半径が5cmとして、2.5kg・m。クランクの回る速度を1秒間に1回転(ペダルも1秒に1回転)として、踏んでるのは1回転のうち半分だけとしてで、 ２×π×トルク×回転数＝仕事率（単位時間あたりのエネルギー[J/s]）という公式に入れると、8J/sくらい。てことは8W？ なんか計算間違ってなければいいけど。
結局、クランク軸にトルクをあたえるのは、足の裏 (スコア:2)
考えました。
ペダルの回転のペダル自体のトルクを受け止めるのは足の裏であり、足の裏が本来あたえる力の足し算が足にかかるわけです。
要するに、力は「増えるかも」知れないが、その分足は力を出さなければいけない。
足の裏が、その力を受け止める能力がなければ空回りするだけでしね。
ま、極端な話をすると、トルクを発生しすぎると、足首捻挫ですね。と考えると、それほど考える問題でもないかもしれない。
機能しないってことで。
ちょっと、永久機関のイラストを思い浮かべてしまいました。
Re:結局、クランク軸にトルクをあたえるのは、足の裏 (スコア:1)
ギプスのようなものを装着して、足首を固定すれば大腿筋は
使わずに骨格に伝わる力だけでペダルがこげますね
Re:結局、クランク軸にトルクをあたえるのは、足の裏 (スコア:1, すばらしい洞察)
Re:結局、クランク軸にトルクをあたえるのは、足の裏 (スコア:1)
股関節と膝関節の２関節分の自由度が残れば十分です。
逆に自由度が残る分、筋力で拘束力を補うことになりますから。
Re:結局、クランク軸にトルクをあたえるのは、足の裏 (スコア:1)
プラセボ説 (スコア:2, おもしろおかしい)
わざわざペダル交換したので、自転車を漕いでいると、
その苦労の分だけ、楽になってるような気がする、という説を提唱。
Re:プラセボ説 (スコア:2)
えっ、ブブゼラ？ ペダルを漕ぐ度にあんな大きな音がでるようじゃ、実用性に難があるだろ。
条件次第 (スコア:2, 参考になる)
ペダルと人間、自転車がちゃんと連結されていれば効果はあるね。
ただ、実用化しようと思ったら難問山積みですな。
ペダルと靴がしっかり固定されていないとトルクが逃げるし、靴に弾力あると無駄にエネルギーを消費するし……足首に変な負担がかかるから、その対策も必要。
もっと筋の良いやり方が他にありそうな気がするなぁ。
Re:条件次第 (スコア:5, 参考になる)
こっちの方が筋がいいですね。
http://www.youtube.com/watch?v=jmPUze3WBTw&feature=player_embedded# [youtube.com]!
実際、今年のTour de Franceではスキャナが導入されるらしい。
Re:条件次第 (スコア:1)
・ペダルから棒をぶら下げ、ペダルと棒を接合する。
・棒の先に十分な重さの重りをぶら下げる。
・この状態で、ペダル内のアシスト機能をONにすると、自転車が走る。
ペダルが回ろうとするが、重りが重力に引っ張られてペダルは水平を保とうとする。水平に保たれたペダルの付け根はクランクを回そうとする。結果としてクランクが回り、自転車が走る。
重りじゃなくて人が乗った場合にどうなるかだけど、この思考実験で重りは仕事はしていない(してたらエネルギー保存の法則に反する)。と言うことは、この重りと同じ「ペダルを水平に保つ」という作業をエネルギー消費無しにやってのける体重の乗せ方が有るはず。よって、少なくともそれを実践できれば、アシストは得られる。
Re:条件次第 (スコア:1)
思考実験と現実の違いとしては、
> エネルギー消費無しにやってのける体重の乗せ方が有るはず。よって、少なくともそれを実践できれば、アシストは得られる。
これが最大の問題じゃないですかね。
純粋な物理学としては、力をかけても移動距離が0なら、仕事は0になります。
でも、人体の特性としては、動きが無くても、力を出しているだけでエネルギーを消費します。
さらに、力学的にはポテンシャルが増減しても最終的に元の高さに戻ったらエネルギーの入出力も±0になりますが、
人体には回生機構なんてついてませんので、筋肉によるポテンシャルの増減があったら、そこで行った仕事はエネルギー消費になる一方です。
結局の所、物理学的にみて「人間は仕事をしなくていい」(エネルギーの出入りはトータルで±0)だとしても、
その体勢を維持するのに力を出す必要があったら、そこで人体はエネルギーを消費してしまいます。
そういう無駄なエネルギー消費がどうなるかというのは、純粋物理学的に定量的に思考実験するのは無理だと思います。
実際に漕いでみて計測するしかないんじゃないかな。
お手軽に付けられるってのが売りなら、 (スコア:2, おもしろおかしい)
ごく普通の四節リンク機構 (スコア:2, 参考になる)
これは足と自転車を分けて考えるから分からなくなるんです.
簡単のために片足側だけに注目してみると, 足と自転車で構成される機構は
から構成される四節リンク機構 [tamabi.ac.jp]となっていることが分かります. リンク先のアニメ(要Java?)でクランクレバー機構として示されるものが, そのものずばりの形です.
ここで通常の自転車の場合には, 股関節と膝の往復運動がクランクシャフトの回転に変換されるわけです. それに対して今回の電動ペダルでは, リンクを駆動させるのに2つある回転節の片側に回転するモーターを設置するという形になっているわけです.
Re: (スコア:0)
で、結局アシストになるの、ならないの？
リンク構造を維持するための条件とか、作用反作用の話は、無視ですか？
Re:ごく普通の四節リンク機構 (スコア:2, 興味深い)
もちろんなります.
リンク構造の維持に関しては
の2箇所について考えれば十分です. この内, サドル・股関節接合節についてはペダルから受ける上向きの力が体重より小さければ接合が維持されます. 実際には体重以上になってもスタンディング体制で腕を使って引っ張ればさらに大きな力にも耐えられます. 足首・ペダル接合節については問題になるのは引っ張り状況での分離のみで, これについては足を伸ばすだけで済み, 基本的には力は不要です.
で, アシストになるかどうかってのは力学での仕事量で示すことができます. 基本的に
仕事量=力×移動量
となりますが, リンクについては無変形なのでリンクに沿った力は仕事量に影響しません. ですので, リンクで考慮すべき仕事は節に注目して
仕事量=トルク×回転角
となります. ここでトルクが発生するのはペダル部分だけとすると, 当然有効な仕事をしているのはペダルのみで足が行う仕事はありません. よってアシストになります. リンクには圧縮/引っ張りの応力がかかりますけど, それによる変移を伴わないので仕事としては0になるというのがリンク機構のミソです.
騙されていると思ったら, 自分で模型を作って実験してみたら良いと思います. 胴体部にどれだけの重量があれば腰が浮くことなく, また足首がペダルから浮かないようにするには膝などにどの程度のバネが必要かなど(エンジンのバルブスプリングと基本は同じで)面白いと思います. ちゃんと(リンクの質量や慣性モーメントなどを)計算したりすると機械科の学部1年ぐらいの内容ですが, 中学生ぐらいでもなんとかできるレベルかな. 本格的に勉強するなら「機構学」とかの教科書をあさってみると良いでしょう.
ただ, 実用的にはどうなのかな? 電池も持たないだろうし, せいぜい足首にかかる負荷を減らす程度の効果しかなさそうですけど.
Re:ごく普通の四節リンク機構 (スコア:1)
# よけいな仕掛が増えてゆくのは筋が悪い証拠
notice : I ignore an anonymous contribution.
Re:ごく普通の四節リンク機構 (スコア:1)
軸の固定にエネルギー消費しない補助具（例えばスキー靴のような足首固定）
を使えば皮膚の圧迫感とかはかかりますが、拘束のための筋力は不要になりますよ。
ペダルに足を回されるような主客転倒の状態 (スコア:2, 興味深い)
そんなわけないだろと言われそうだが
能動時に動かなくて良いぶんだけ気分的にはラクできる？
シマノからコンポーネントが発売されるようで (スコア:2)
普通の自転車の部品交換をすると電動自転車に出来るコンポーネントＳＴＥＰＳ [wiredvision.jp]がシマノから発表されるそうです
自分も最近スポーツ自転車を買いましたが、軽さがいいですよね。電動自転車にしたら重くなりそうでありがたみがなくなるかもｗ
Re:シマノからコンポーネントが発売されるようで (スコア:1)
道交法施行規則によると、
第三十九条の三 人の力を補うため原動機を用いる自転車（以下「駆動補助機付自転車」という。）の製作又は販売を業とする者は、その製作し、又は販売する駆動補助機付自転車の型式について国家公安委員会の認定を受けることができる。
となっていますが、「車種の登録」って、ここで言う認定を受けることですか？
そもそも自転車には原動機付自転車や自動車のような公的な登録制度は存在しませんし、
「受けることができる」と「受けなければならない」は大きな開きがあるように思えますが。
製造・販売者が認定を受ければ、お上のお墨付きをもらって売りやすいとかそういう目的では？
使用者が道交法に適合している輸入品を組んだ場合には問題ないのでは？
Re:シマノからコンポーネントが発売されるようで (スコア:1)
断っておきますと、別に自分がそうしたいからというのではなく、疑問に思ったまでで・・・
基本は原付として登録しないといけない。
そうしておいた方が無難、といのよりも強そうな響きですね。
中国製違法原付とみなされて街中で呼び止められるリスクを負う、
以上のことは考えにくいのですが。適合していたら結局適法ですし。
道交法に適合している車でも登録しないのを乗ると違法ですよ。
いつから車の話になったのですか？自動車には検査制度等色々法令で決められているので当然です。
それとも車＝自転車の話ですか？何法違反？道交法？原付とみなすから？？適法なのに？？？
Re:シマノからコンポーネントが発売されるようで (スコア:1)
以下を満たすものは、認証に関わらず、自転車では？
第一条の三 法第二条第一項第十一号の二の内閣府令で定める基準は、次に掲げるとおりとする。
一 人の力を補うために用いる原動機が次のいずれにも該当するものであること。
イ 電動機であること。
ロ 二十四キロメートル毎時未満の速度で自転車を走行させることとなる場合において、人の力に対する原動機を用いて人の力を補う力の比率が、（１）又は（２）に掲げる速度の区分に応じそれぞれ（１）又は（２）に定める数値以下であること。
（１） 十キロメートル毎時未満の速度 二
（２） 十キロメートル毎時以上二十四キロメートル毎時未満の速度 走行速度をキロメートル毎時で表した数値から十を減じて得た数値を七で除したものを二から減じた数値
ハ 二十四キロメートル毎時以上の速度で自転車を走行させることとなる場合において、原動機を用いて人の力を補う力が加わらないこと。
ニ イからハまでのいずれにも該当する原動機についてイからハまでのいずれかに該当しないものに改造することが容易でない構造であること。
二 原動機を用いて人の力を補う機能が円滑に働き、かつ、当該機能が働くことにより安全な運転の確保に支障が生じるおそれがないこと。
まぁ、一のニや二あたりは裁量の度合いが大きいので、事実上認証が必要な状況を作り出しているのかもしれませんが・・・
Re:シマノからコンポーネントが発売されるようで (スコア:1)
1786781 [srad.jp] にも書きましたが、改正された法令には
「認定を受けないと原付とみなす」と記述された箇所が見当たらないので、
どういったメカニズムでそうなっているのか興味あるところです。
裁量の範囲で運用しているという話ならそれなりに納得するのですが、
それでも認定以外同一のものに対して判断が分かれる理屈は、よく分かりません。
Re:シマノからコンポーネントが発売されるようで (スコア:1)
動力付きの車両は原付なんだよ。
一つの原則的な考え方としては理解しましたが、
法令(道路交通法第二条第一項第十一号の二)では要件（道路交通法施行規則第一条の三）
を満たすものは軽車両と定義されているのです。そしてその要件に国家公安委員会
の型式認定を要求しているように読めないのです。
トライクはどう分類しても道路運送車両法上、国道交通大臣による登録（≠認定）
あるいは車両番号の指定が必要な自動車で、同法の定義を参照する道路交通法
において、登録される自動車の種類で免許の種類が変わるのかは当然のことです。
法整備の過渡的な状況でどちらとも分類される例としては理解できますが、
制度が異なる（認定は必要と書かれていない）以上、同列にみなすことはできません。
行政から型式認定受けるように指導された業者が、型式認定を必要なものと受け止めて
未認定＝原付と拡大解釈してるだけってことはないですかね。それはまぁそれで納得できるのですが。
法律上の問題 (スコア:2)
作用反作用 (スコア:1)
作用反作用の法則考えると、これはインチキ発明でしょ。
自転車を漕いでいるとき、ペダルは二つの物体 - クランクと足から力を受ける。
逆に言うと、クランクに力を加えようとすると、その反作用は足に行くわけだ。
つまり、ペダルががんばってクランクを回そうとすればするほど、足はがんばって
ペダルの反作用に釣り合う力を出さなきゃならない。
・・・ぜんぜんアシストになってないじゃん・・・。
＃厳密には慣性力も考えなきゃならないけど、他の力に比べたら誤差なので無視。
Re:作用反作用 (スコア:1)
骨を伸縮させる方向に力を受けても筋力を使いません。
適切な拘束を与えてやればアシストは成立します。
Re:作用反作用 (スコア:2)
装置への力の伝達経路が、足からクランクまでの間に完全に閉じてしまっているので、
「適当な拘束」は足またはクランクのいずれかでしか与えられません。
つまり、この装置が発生する力は作用/反作用ですべてクランクおよび足の双方に働くので
アシストとしての効果はないと思われます。
アシストとして働くためには、足やクランク以外の部分、例えば車体フレームなどへの力の伝達経路が必要でしょう。
Re:作用反作用 (スコア:1)
アシストとして働くためには、足やクランク以外の部分、例えば車体フレームなどへの力の伝達経路が必要でしょう。
足を伝わる経路があってもアシストとして作用しますが？
Re:作用反作用 (スコア:1)
乗ってる人はペダルが空転しないようにする力が必要なんですよね？
筋力が必要かといったら、シューズの固定方法によっては答えはＮｏ．
Re:作用反作用 (スコア:2)
では、そのシューズへの作用を支える反作用はどこから来るのかというと、足ですね。
結局は反作用を人体が支えます。アシストしたのと同量の力を人体が受け持つということです。
違うというのならば、人体と同形状で同重量のマリオネットをその自転車に乗せた状態を想像してください。
前に進むと思いますか？
Re:作用反作用 (スコア:1)
反作用を人体の一部が受け持つのは否定していません。
骨格（骨と関節）が力を受け止め、最終的にはサドルに密着した点に
伝わることで閉リンクが完成します。
これを支えるのに筋力が必要か？と言えば足首を固定してしまえば NO なのです。
ちなみに、足首さえ固定すれば、閉リンク系の自由度は1になりますから、
関節構造が人と同じであればマリオネットでももちろん進みますよ。
Re:作用反作用 (スコア:1)
見えませんね。
Re:作用反作用 (スコア:2)
その「自由度1」は、膝関節や、股関節や、サドル上の腰のモーメントまで含んだ上で「自由度1」だと主張されていますか？
あなたの主張は、股関節をサドルに固定したモデルを想定しているように思えてなりません。
Re:作用反作用 (スコア:1)
股関節がサドルに固定されているものと考えています。
サドル上の腰のモーメントとは、体軸周りの回転にを心配されていますか？
足首からの距離を考えればモーメントをキャンセルするには無視できるレベルでは。
Re:作用反作用 (スコア:2)
腰はサドル上に乗っているだけなので、3軸が自由と思われます。
そのうち、腰椎回りの軸は摩擦が大きいので拘束されていると見做すこともできますが、
残る2軸は自由であると思います。
Re:作用反作用 (スコア:1)
返信遅くなりました。記述は正確に理解できていないかも
しれませんが、要は股関節が球面関節だからもっと自由度が
残るだろというものと理解しました。
確かに、サドルにしっかり座っても膝を開く自由度は
残っていますが、足首を固めてペダルに固定するとその
自由もなくなります。
また今回の問題では、ペダルの回転を拘束する運動は
正中面へ投影した運動ですから、その意味では四リンクの
閉リンク系完成している（つまり1自由度）と言えます。
以上は骨盤がサドル上に拘束されていることが前提ですが、
それとも拘束されてないという指摘でしょうか？それは
座り方の問題かと思います。
Re:作用反作用 (スコア:2)
人体にクランクを回す自由度が残っている限り、
動力源の反作用を受けるために人体も力を発生させる必要があります。
動力源の反作用を力をかけずに受けられるのならば、
その人の脚には自由度が残っていないということで、
つまり、その人はクランクを回せませんよね。
モデルを単純化すればわかっていただけますかね。
ペダルと靴底の間に伸縮バネを挟んで、これでアシストになりますか？
確かに伸縮バネの反発で車輪を回す力は増します。しかし、同量の力が靴底にもかかります。
人体にクランクを回す自由度が残っている限り、伸縮バネやモーターの反作用を受けるために
人体も同量の力を発生させる必要があります。
アシスト効果を得るためには、動力源の一端を車体に固定する必要があります。
伸縮バネをペダルと車体の間に挟めば、アシスト効果が得られます。
モーターを車体とクランクの間に挟めば、アシスト効果が得られます。
しかし車輪と人体の間に動力源を挟んでしまうと、
その人体がクランクを回す自由度を確保している限り、
動力源と同量の力を人体が発生させないと動力源を拘束できません。
Re:作用反作用 (スコア:1)
人体にクランクを回す自由度が残っている限り、
＜中略＞
つまり、その人はクランクを回せませんよね。
まず、この理解が正しくありません。閉リンク機構はご存知ないですか？
クランク･ロッカー機構(要Java) [brockeng.com] では、普通の自転車では、
股関節Bに周期的なトルクτBを発生させて、クランク軸Aの負荷τAに抗します。
（もちろんひざ関節Cにトルクを作用させても構いませんが、ここでは省略）
今回はペダルDにもトルクτDを発生させて股関節Bをフリーにしても、τAに
抗することができます。重ね合わせの理が成り立つ系ですから、τBとτDを
同時に作用させれば、τAに加算されて作用します。
τDの効果を得るために、余計なτBが必要かといえば、NOです。
モデルを単純化すればわかっていただけますかね。
＜中略＞
人体も同量の力を発生させる必要があります。
その単純化は今回のアシスト機構を表現しきれていません。
動力源と同量の力を人体が発生させないと動力源を拘束できません。
閉リンク機構では、リンクの伸縮と曲げに対する力をリンクの剛性でまかなっています。
何度も書いていますが、骨格の形状を維持するのに筋力はいりませんね？
Re:作用反作用 (スコア:1)
力を抜いてペダルの反作用を押さえられるでしょうか。
答えはNoです。
ダウト。足首回転が拘束できれば、筋力は介在しません。圧迫感は
あるでしょうがね。それも、閉リンク機構の固定関節である腰関節
が体重によってサドルに押さえつけていられる範囲内の話ですが。
足首回転が固定できていない場合に、どれだけの負担がかかるかを
ざっと見積もってみると、ピークアシスト出力(200W)のときの
ペダルの回転数を、仮に激しく漕いだ状態の毎秒２回転4π/sとすると、
ペダルが生成するトルクは 200/(4*π)≒16 Nm。
足首で押さえるトルクはこれだけ。
回転数が半分だとして、トルクがこの倍だとしても 36Nm。
ちなみに踵から足指の付け根までを20cmとして、片足でつま先立ちする
時に足首に作用する静的なトルクは、体重60kg の人で
60 * 9.8 * 0.2 ≒ 118 Nm
踵をつけずに階段登れる人は最大アシストの状態にも耐えられそうですね。
立ち漕ぎの場合しかアシストが成り立たないっていう話は、
このコメントだけではどういう計算から来るのか全く不明です。
負担がかかる足首が心配 (スコア:1)
回らない事は無いのじゃないかと (スコア:0)
人間の足を固定の棒と考えれば、クランク１回転でペダルは１回転するのは確か。
なら抵抗が十分少なくそれでいて足がちゃんと固定軸として働けば動くには動くだろう。
けど、200Wもの出力で通常動かない方向に力を掛けるってのは乗っている人間に対してどうなんだろう？
下手するとスムーズなペダリングを妨げるだけにも成りえるよね。
回転力にはならない (スコア:0)
横向きの力をかけるだけで、回転にはならないでしょう。
しかし回転軸を前方に押し込む力にはなりうるので、その意味
ではアシストになるかも。まあほとんどジョークグッズですが。
中学生でも解ける (スコア:0)
進行方向にペダリングしているとき、ペダルはクランクに対して後方に回転している。
この回転モーターでアシストすると、ペダル前側に上昇しようとする力がかかるため、搭乗者の踏力もここに集中する。
これにより通常はペダルの軸に位置する力点がクランクの中心から離れるため、
踏力が同じでも梃子の原理でより大きな駆動力を得ることが、言い換えればアシストが得られるというわけだ。
これは一見、搭乗者がペダルを踏むことに変わりはなく、何も助けになっていないようにも見える。
しかし、ここで搭乗者が発生すべきエネルギーに注目してみよう。
駆動力を得るために踏力を増やす必要はない。
クランクの径も変えていないのだからストロークも一定だ。
ペダルを踏む力点が爪先に移動することで足首に負担がかかるような気がするのはとりあえず無視して、
純粋に物理的にどうなるかを考察してみてもらいたい。
これは中学生でも解ける問題だ。
Re: (スコア:0)
>クランクの径も変えていないのだからストロークも一定だ。
これは本当に一定なの？
力点がクランク軸から外れているのだから、クランク軸の移動によるストロークではなく、力点部分の移動距離を考えたストロークじゃないといけないと思うんだけど、その点は？
ジャイロ効果？ (スコア:0)
ペダルを交換、だけでアシスト効果が出るようなものというと、ジャイロ効果を使用したものしか頭に浮かばない
# 他に書いてる人が居ないので、実現可能か？を無視して投稿
動くには動くよ (スコア:0)
自分でペダルを交換したことが有れば解るが、ペダルレンチで固定してクランクを回せば絞められるし、外すときには逆にもする。
同様にこのペダルを付けてペダルの前後から紐を出し、それを手で引っ張ってみるのを考えると良い。
紐を弛まない様に保持すればクランクに回転を伝える事が出来るのは解るはずだ。
ただその理想的な足位置のコントロールを行うのとこれによるアシスト効果ってどっちが付加が有るのかはちょっと解らない上、
構造的に体を痛めてしまう可能性も有ると思うんで、実用性は怪しいかもしれない。
楕円ギア (スコア:0)