家と子供と、今日のおじさん(仮)

2017年築の家で、妻+子供3人と過ごす記録です。ほのかに工学テイスト。


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 我が家のベビーカーは、今年7歳の長女が誕生するときに、妻の兄から頂いたものです。今は次男2歳がたまに使用しており、通算で10年以上、使っていることになります。そのベビーカーについて、折りたたみの「リンク機構」を解析・総合(analysis and synthesis)した記事が、今日の「おじさんアンコール」です。各部の寸法を実測し、アニメまで作った、力作2編を、ひとつにまとめた豪華版ですよ!(初出2012/1/13、2012/1/14)


【今日の育児工学・アンコール】 ベビーカーを折りたたむ~自由度1のリンク機構
 久しぶりに,「育児工学」です.
 今日は,ベビーカーの構造についてです.ベビーカーの便利な「折りたたみ」が,どのような仕組みで実現されているのか,調べてみました.


★ベビーカーの骨組みを調べる
 我が家のベビーカーを,図1に示します.親戚から,頂いたものです.
<図1>
20110113z01.jpg

 このベビーカーは,折りたたむことが可能です.折りたためると,運搬に便利です.どのようにして折りたたみを実現しているのか,調べてみました.

 ベビーカーの構造を確認しやすくするため,シートと幌を外しました(図2).骨組みが,あらわになりました.
<図2>
20120113z23.jpg

 この状態で,折りたたんでみます.下図3のように,ベビーカーは平らに折りたたまれます.
<図3>
20120113z31.jpg
20120113z32.jpg
20120113z33.jpg
 実際には,この後,全体を3つ折りにして,さらにコンパクトにたたむことができます.しかし今回は,平らにたたむまでの状態について,考察しました.


★折りたたみの仕組みは
 どのような構造で,折りたたみを実現しているのでしょうか.ベビーカーの各部の寸法を見取って,作図してみました(下図4).
<図4>
20120113z91.jpg
 このベビーカーは,次のような構成の,リンク機構になっているようです.
 ・リンク(棒)の数  :8個 …図4の黒線
 ・節点(回転ピン)の数:6個 …図4の赤丸
 ※図4でハッチングした部分は,実際には1個のパーツですが,理解しやすくするため,3個のリンクと考えます.

 このリンク機構は,全ての節点(回転ピン)をフリーにすると,形が一意に定まりません.逆にいうと,全ての節点をフリーにしておけば,ベビーカーを使用形態から折りたたんだ形態に,変形させることができます.


★ベビーカーの形態を固定する仕組み
 このベビーカーでは,リンク機構の形を定めるために,図4の大きい赤丸で示した節点の回転が,固定できるようになっています.この節点を固定すると,長さ205ミリの2個のリンクを含む平行四辺形の部分の形状が,固定されます.そして,この平行四辺形につながった,長さ100ミリのリンクと,左側の車輪を含むリンクも,固定されます.したがって,ベビーカーは,使用形態に保たれます.

 節点の固定は,次のようにして,実現されています.
 ベビーカーのハンドルには,図5のような,トリガーがついています.
<図5>
20120113z39.jpg
 このトリガーを引くと,図4の大きい丸で示した節点を固定しているパーツが移動して,固定が解除されます(図6).この解除した状態になると,ベビーカーは形態を変化させることができます.(写真では指で押し上げていますが,実際にはフレーム内部のワイヤーで引き上げられます.)
<図6>
20120113z41.jpg20120113z42.jpg
 なお,図4の大きい丸で示した節点には,3個のリンクがつながっています.回転を固定しているのは,長さ150ミリのリンクと,長さ100ミリのリンクの間の回転です.(長さ205ミリのリンクの回転は,直接は固定していないように見えます.)

 折りたたんだ状態にすると,再びロックがかかります(図7).
<図7>
20120113z51.jpg20120113z52.jpg

 以上のように,このベビーカーでは,1個の節点の回転を固定するだけで,リンク機構全体を固定できるようになっています(リンク機構の自由度=1になっている).これによって,1箇所の節点の固定/解除を操作するだけで,ベビーカーの形態を変形させることを可能としています.


★リンク機構の動作のシミュレーション
 リンク機構の動作をシミュレーションするためには,各節点の座標(横方向・縦方向)を定める必要があります.すなわち,節点の数6個×2方向=12個の座標値を,定める必要があります.
 各リンクは,2個の節点を含みます.したがって,1個のリンクによって,2個の節点間の距離が,一意に定まります.リンクの数は8個ですから,12個の座標値に対して,8個の方程式が得られます.これによって,独立に定められる座標値は,12個-8個=4個,となります.
 また,リンクの動きを調べるときには,どれか1個のリンクを,空間内に固定します.固定は,横方向・縦方向・回転方向(リンクの角度)の,3方向です.この固定は,3個の方程式で表されます.これによって,上で残っている4個の座標値のうち,3個が定まります.結果として,4個-3個=1個の座標値だけが,独立に定められる座標値となります.すなわち,このリンク機構の自由度=1,です.

 例えば,図2の,ハッチングをした三角形の下辺のリンクを,空間に固定するとします.
 そうすると,ほかのどれか1個のリンクの節点の横方向または縦方向の座標値を定めると,全ての節点の座標値が,一意に定まります.例えば,大きい赤丸の節点の横方向の座標値を定めると,この節点の縦方向の座標値が一意に定まり,かつ,ほかの節点の全ての座標値も一意に定まります.
 大きい赤丸の節点の横方向の座標値を定める代わりに,図2の角度θを定めても,すべての節点の座標値を定めることができます.

 以上を踏まえて,次のようにして,リンク機構の動作をシミュレーションしました.
i)ハッチングをした三角形の下辺のリンクを,空間に固定する.
ii)同リンクの左側の節点を原点として,リンクに沿って右向きにx軸,これと直角上向きにy軸をとる.
iii)角度θを,適当な値に定める.
iv)そうすると,幾何学的な関係から,全ての節点の位置が定まる.
v)θを40[deg]~160[deg]の範囲で,10[deg]キザミで変化させて,各値のときのリンク機構の形状を調べる.


★リンク機構の動作のアニメ
 シミュレーションの結果を,下のアニメ(動画)で示します.このアニメは,エクセルのグラフ機能で作成した複数枚の静止画を,フリーソフトで動画にしたものです.

 上のアニメでは,固定するリンクを,計算が簡単になるように選びました.このため,ベビーカーぽさが,欠けているように感じます.
 2つの車輪が常に接地するように,座標系を移動・回転させると,下のようになります.こうすると,ベビーカーらしさが出ます.



★実際の折りたたみ動作と比較してみる
 実際のベビーカーで,折りたたむ動作を撮影しました.下の動画です.

 説明書の通りに操作すると,片手でも,ベビーカーを折りたたむことができます.(実は,この記事を書くまで説明書を読んでおらず,いつも両手で苦労しながら,折りたたんでいました.)

 この動画を見ると,たたむときには,ハンドルの部分が,地面に対して,常に一定の角度を保っているようです.そこで,シミュレーション結果のほうも,ハンドルの角度を一定にしてみました.下の動画です.

 「ペシャリ」と折りたたまれるベビーカーの様子を,うまくシミュレーションできました.


【今回の結論】
 ベビーカーの折りたたみは,自由度1のリンク機構で実現されています.
 リンク機構の動作は,コンピューター上で,シミュレーションできます.
 構造を知っておけば、より簡単に、ベビーカーの折りたたみ操作ができるようになります。


育児休業をとって,はや11ヶ月.
ようやくベビーカーのたたみ方を覚えた育休おじさんを,応援よろしくお願いします.
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