一般用自転車のペダリング軌跡の最適化

一般用自転車のペダリング軌跡の最適化
（第 1 報：踏み足条件の検討）
○奥山義晶（仙台電波工業高等専門学校･５年）
長嶺俊之（仙台電波工業高等専門学校･専攻科 2 年）
熊谷和志（正，仙台電波工業高等専門学校）
大泉哲哉（正，仙台電波工業高等専門学校）
1．はじめに
2.2 最適軌跡の定義
最適軌跡の定義としては，速く進むことができる
自転車におけるペダルのもっとも一般的な運動軌
軌跡と，疲れずに長期間漕ぎ続けられる軌跡の 2 つ
跡は円である．もっとも効率の良いペダリングとは，
が考えられた．後者の軌跡の評価は困難であったた
常にペダリング軌跡の接線方向に力を加えることで
め，より速く進める軌跡を最適軌跡として選択して
あるが，実際にはペダリング軌跡の接線方向に力を
いる．したがって，より大きなペダル駆動力を発生
加えるというのは不可能に近い漕ぎ方であり，効率
できる軌跡が最適軌跡となる 2)．
的には無駄が多いのが現状である．最近ではSDVと
呼ばれる長円軌跡を用いてペダリング効率を改善し
た自転車も登場している 1)．しかし，長円軌跡が最
2.3 最適軌跡の検討
関節の屈曲と伸展では異なる筋肉を使うことから，
適であるという実証はないことから，長嶺らは，競
膝関節伸屈，股関節伸屈それぞれに関する関節角度
技用自転車を対象に，最適なペダリング軌跡の導出
−筋力関係が必要である．発生筋力には姿勢も関係
とペダリング機構の開発に取り組んでいる
2)-4)
．
しており，自転車の乗車姿勢における筋力データの
競技用自転車は，ペダルに靴を固定する構造であ
文献が見あたらないことから，新たに筋力測定機を
るため，引き足の利用が可能である．一般用自転車
開発し，複数の被験者に協力してもらい，膝関節伸
は，ペダルに靴を固定しないために引き足を利用で
屈，股関節伸屈について，相互の関係も含めて関節
きないことから，最適軌跡の形状が異なることが予
角度−筋力関係を測定している2)．
想される．そこで本研究では，引き足を利用しない
測定したデータをもとに，各関節の発生する筋力，
ペダリング軌跡の最適化を図る．本報では，踏み足
ペダル駆動力方向，発生動力等を計算する軌跡評価
となる条件の検討と軌跡の評価を行った結果につい
プログラムが制作されている2)-4)．実行例を図2に示
て報告する．
す．
2. 引き足も利用するペダリング軌跡
2.1
簡易モデル
最適軌跡の導出後にリンク機構で実現可能な軌跡
へ近似する必要があるため，脚部の動きを厳密にモ
デル化しても必要以上に複雑化するだけである．そ
こで，図1に示すような脚部簡易モデルを用いてい
る2)-4)．
図2．軌跡評価プログラム実行例（楕円軌跡）
2.4 軌跡の評価
軌跡の評価では，その軌跡の単位周長あたりの動力の
大きさを比較している．図3に示す，円軌跡，長円軌跡，
楕円軌跡，トロコイド軌跡1，トロコイド軌跡2が評価さ
れている．それぞれの軌跡で形状を調整し，得られた動
力の最も大きな値を表1に示す．
図１．脚部簡易モデル
ペダルに加える垂直な力と軌跡の接線との差を
ｙとするとｙが±50 度以下の時に強い踏み込みが
行われている．そこで，踏み足の条件をｙが±50
度以内の時と定めた．
3.2
図3．評価軌跡
表1．各軌跡の発生動力
軌跡
1 周期中における動力の平均
円
38.53[kgf･m/s/m]
楕円(角度 0 度)
71.61[kgf･m/s/m]
長円
41.34[kgf･m/s/m]
トロコイド 1
50.67[kgf･m/s/m]
トロコイド 2
54.25[kgf･m/s/m]
ペダリング軌跡の評価
踏み足の条件を軌跡評価プログラムに新たに追加
して，図 5 に示す軌跡を評価してみた．その結果を
表 2 に示す．
結果，楕円軌跡がもっとも効率が良いこと，自転車を
図 5．サンプル軌跡 2
漕ぐときには引き足が重要であることが分かっている4)．
表 2．各軌跡の発生動力 2
3．引き足を利用しないペダリング軌跡
3.1 踏み足条件の検討
本研究では引き足を利用せず，踏み足のみで漕ぐ
一般的な自転車を対象とする．長嶺らの研究では，
発生動力を大きくするには引き足の利用が重要であ
ることが分かっている．したがって，踏み足のみを
利用するペダリングでは，引き足も利用するペダリ
ングとは最適軌跡の形状が異なるはずである．
踏み足とは，ペダルを踏み込む動作で自転車を
漕ぐ状態である．軌跡評価では踏み足状態かどうか
を判定することが必要であるから，どんな条件で踏
りも合わせ，結果として図 4 にある枠内の範囲で強
い踏み込みが行われていると判断できた．
円
16.07[kgf･m/s/m]
楕円(角度 60 度)
28.56[kgf･m/s/m]
長円
28.63[kgf･m/s/m]
トロコイド 1
21.97[kgf･m/s/m]
トロコイド 2
18.78[kgf･m/s/m]
表 2 より，最も発生動力が大きいのは長円軌跡と
軌跡と，引き足を利用しない場合では最適軌跡が異
なることが裏付けられた．
4．終わりに
まずは最適軌跡の傾向を知るため，複数名の被
ることで踏み足の条件を求めた．被験者への聞き取
半周期中における動力の平均
なった．引き足も利用する場合の最も動力の大きな
み足となるのかを求めなければならない．
験者に自転車を漕いでもらい，そのビデオを観察す
軌跡
最適なペダリング軌跡の最適化を図るにあたり，
踏み足となる条件の検討と軌跡の評価を行った．結
果として，引き足を利用しないペダリングにおける
最適軌跡は，引き足も利用するペダリングとは形状
が異なることが分かった．
今後は，より適切な軌跡を求め，さらにはペダリ
ング機構の実現を目指したい．
参考文献
1)
2)
3)
4)
図 4．踏み込み範囲
オーテック有限会社:｢A Revolution in Bicycle-the SDV｣http://www.bike-sdv.com/
長嶺，熊谷，大泉:自転車における脚部運動軌跡の最適化に関する研
究(第１報)，機学東北支部総会･講演会，051-1，P.210(2005.3)
長嶺，熊谷，大泉:自転車における脚部運動軌跡の最適化に関する研
究(第 2 報)，機学東北支部秋季講演会，2005-2，P25(2005.9)
長嶺，熊谷，大泉:自転車における脚部運動軌跡の最適化に関する研
究(第 2 報)，機学東北支部総会･講演会，2006-1，P179(2006.3)

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