CN107000804B - 前后自平衡装置 - Google Patents

Abstract

一种前后自平衡装置，其可以包括具有驱动电机、电池以及位于车轮的相对侧的第一和第二脚踏平台的独轮结构。所述装置可特别设置为：电机和电池设置成以使得车轮包络内具有用于脚踏平台的一部分(位于包络附近或内部)的空间，从而将骑行者的重量放低并靠近装置的重心。公开了各种电池和电机布置，以及不同的驱动机构和部件冗余，以确保在故障情况下的安全操作。

Description

前后自平衡装置

交叉引用相关申请

本申请要求申请号为62/191,839的美国临时专利申请以及名称为“低磨损驱动机构和具有该低磨损驱动机构的独轮运输装置”、申请号为62/029,990的美国临时专利申请的优先权，并通过引用的方式将其并入本文中作为参考。

技术领域

本发明涉及一种机动独轮结构前后平衡运输装置，更具体地，涉及一种具有低的及居中的脚踏平台的前后自平衡装置。

背景技术

现有技术包括机动独轮自平衡运输装置。例如，美国专利号8,616,313(授予Simeray的行人用机动运输车)的图1和图3以及美国专利号8,807,250(授予本文发明人陈的用于站立用户的动力独轮自平衡车)的图1和图6示出了此类装置。

这些附图表示了已知独轮运输装置的至少两个特征。一个是脚踏平台被布置成使得使用者在骑车时将他或她的脚彼此平行并且前后对齐地放置，类似于一个人在滑雪时可以站立的方式。另一个是电机和/或电池放置在车轮内，例如，在车轮的“包络”内。平行布置脚踏平台的一个原因是，车轮内部空间被电机和/或电池占据，因此没有足够的空间供脚踏平台延伸到车轮或车轮“包络”内(为了本申请的目的，车轮“包络”是指由车轮本身和两个平行的垂直侧平面(车轮的外部左侧和右侧各一个)界定的空间)。

然而，在站立时，人们常常更喜欢将其脚掌(即，脚前部)稍微向外转，通常与前方直线成10-45度(或者其它角度，因人而异)。以这种方式站立提供了前后和横向稳定性。与脚掌稍微分开站立的人相比，双脚平行并拢站立的人在横向比较不稳定。

此外，当使用独轮装置时，从横向来看，重心位于车轮中心下方。如果脚进一步向外放至侧面并且一个脚抬起，则车轮顶部自动向未抬起的脚倾斜(进一步向外的脚上的力更大)，因此对重量进行小调整(例如，轻轻移动自身重量)可能会导致装置明显不稳定。

如果使用者的脚跟，或者换句话说，其上放置脚跟的平台部分可以定位成更靠近车轮重心(横向)，则装置将会更稳定。

此外，平台越低，装置就越稳定。因此，还要求使用者站立成使得其脚跟定位成距离地面相对较低。这还让骑行者上下所述装置变得更容易和更安全。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供一种独轮结构的前后自平衡装置，其中使用者在骑车时脚后跟在靠近装置的重心处并拢并且距离地面低。

本发明的另一个目的在于提供一种独轮结构的前后自平衡装置，其具有延伸到车轮包络内的脚踏平台。

本发明的再一个目的在于提供一种独轮结构的前后自平衡装置，其中电池和电机中的一个基本上位于前部，另一个基本上置于后部。

本发明的又一个目的在于提供一种独轮结构的前后自平衡装置，其在其驱动和/或控制机构中提供冗余，并且在故障情况下提供安全停机模式。

本发明的这些目的和相关目的是通过使用如本文所描述的具有低的及居中的脚踏平台的独轮结构的自平衡运输装置实现的。

对于本领域技术人员而言，在结合附图查看以下对本发明的更详细描述之后，本发明的上述和相关优点和特征的实现应该变得更加显而易见。

附图说明

图1-6示出了根据本发明的一种前后自平衡装置的一个实施例。

图7-12示出了根据本发明的一种前后自平衡装置的另一个实施例，该实施例具有低磨损驱动机构。

具体实施方式

参照图1-2，分别显示了根据本发明的前后自平衡装置10的右上侧透视图和侧视图。请注意，“右”是指从骑行者的角度。装置10可以包括车轮12，车轮12具有轮辋14(如图4-6所示)和轮胎16，驱动电机51、52，电池70、71和控制电路80、81。外壳20覆盖车轮12以及驱动电机51、52、电池70、71和控制电路80、81的部分。驱动电机51、电池70和控制电路80以虚线示出，因为其被外壳遮蔽(显示其相对和近似位置)。驱动电机52、电池71和控制电路81位于车轮12的相对侧，基本上对称布置。

图1示出了每侧(左侧和右侧)的两个“隆起”或“凸起”21、31和22、32，其中一个凸起21、31覆盖驱动电机51、52，另一个凸起22、32覆盖电池70、71和控制电路80、81。在这两个凸起之间是腿部凹陷23、33，在优选实施例中，腿部凹陷23、33在使用期间可能会接触使用者膝盖下方或膝盖处的小腿内侧。脚踏平台25位于朝向装置底部之处，邻近车轮12下部。脚踏平台25具有脚跟区域26和脚掌区域28。在车轮另一侧设有类似的脚踏平台35(具有脚跟区域36)，以用于骑行者的左脚(并且基本对称布置)。腿部凹陷23、33分别在其相应的脚跟区域26、36上方基本上对齐。应当注意，优选地，脚踏平台(和下文讨论的缩进41、42)被配置成使得站立在平台上并且脚跟在脚跟区域中的骑行者的脚部的“中央纵向轴线”与正前方成大于零的角度。该角度可以处于5-45度或其它范围内。

参照图3，显示了装置10的前向正视图。图3示出了在纵向维度或前后维度横切于车轮12中心的中心垂直平面1。右侧和左侧垂直车轮边缘平面2、3平行于该垂直平面并且与车轮各侧的外边缘接触。如上所指出，由车轮12和右车轮边缘平面和左车轮边缘平面2、3界定的空间可以被称为车轮“包络”。线4和线5表示腿部凹陷23、33的向内程度。

每个腿部凹陷23、33均提供若干益处，包括但不限于：

-在安装和骑乘装置时，将骑行者的腿直观地指向应放置的位置；

-便于将脚跟放置在脚跟区域26、36中；

-允许骑行者将腿部靠近车轮底部放低，并且靠近装置重心向内放置，从而增强稳定性；以及

-通过提供几个接触的点(胫部、腿后部、脚跟和/或脚掌内侧等)提供安全感和安心感，特别是对于新的骑行者而言，同时不会限制或抑制从装置快速跳下(从而具有专利8,807,250的益处而没有专利8,616,313的局限)。

在某种程度上，外壳(以及驱动电机和电池)布置提供了类似于或者大致接近半个滑雪靴的轮廓表面，从而使脚部和腿部的放置更加自然。

此外，通过将装置的电机和电池等较大较重部件朝向前部和/或后部放置，这些部件没有放置在车轮内，因此平台的脚跟区域26、36可以(1)延伸到靠近中心垂直平面和重心的车轮包络内，以及(2)向下放置，恰好在车轮下部上方和/或附近(换句话说，电池和驱动机构不会妨碍向内和向下定位的脚跟区域；这转而允许使用者将脚跟和小腿放低，并且紧邻车轮包络或者在车轮包络内)。

这种布置允许用户将重量放低并且非常靠近重心，从而以其他装置未展现的方式，为装置提供显著的稳定性和易用性。此外，通过在用于脚跟区域的车轮附近或内部形成空间，骑行者的脚掌可以向外成角度(相对于脚跟)，这是一种更自然的人类站姿，并且提高了侧向(即，横向)平衡。

图3还从前视图显示了驱动电机外壳凸起21、31(分别为外壳电机51、52)，电池凸起22、32和脚踏平台25、35的相对位置(针对图1和图2的实施例)。优选地，线4和线5表示的腿部凹陷定位成比电池和/或驱动电机的外部范围更靠近中心垂直平面(并且更靠近车轮12)，并且比覆盖电池和驱动电机的外壳凸起21、31、22、32的外部范围更靠近。此外，图3以虚线示出了缩进41、42(至少其下部)及其在车轮包络内的位置。

应当认识到，虽然显示了在腿部凹陷23、33前侧和电池后部的驱动电机(图1-3)，但这些部件可以整体或部分地切换，使得电池位于前面，驱动电机位于后面，或者其某种组合，将腿部凹陷23、33保持成与其脚踏平台的脚跟区域基本上对齐。电路板被显示定位在其相应的电池附近，但是可以以其它方式位于装置中，包括安装在单个电路板上。并且传感器82(和控制电路80一起示出)可以以其它方式定位，包括例如更位于中心，将外壳置于腿部凹陷23、33之间。优选地，外壳20将被更改成与以其它方式布置的部件相符。

腿部凹陷23、33还可以包括衬垫和/或摩擦条等，以便与骑行者的小腿侧面进行舒适且有帮助的接触。

参照图4，显示了装置10的下部的横截面左侧透视图。图4示出了外壳20进入车轮包络内的缩进41、42。缩进形成在脚踏平台35的脚跟区域36附近，这允许脚跟区域朝向车轮包络延伸或者延伸到车轮包络内，从而实现本文所讨论的优点。

应当认识到，在左、右平台部分之间可以完全移除外壳(例如，至少部分地提供横向连续的平台)，但是提供的缩进的外壳部分41、42提供了骑行者可以插入其中并“锚定”其脚跟的固定位置点，这可以增加安装和使用的方便性。

图4还示出了外壳内的电池70、71和控制电路81的部分。还显示了车轮12的轮辋14和轮胎16，以及形成在轮胎16上或者与轮胎16一起形成的驱动轨道55。

参照图5，显示了车轮12、驱动电机51、52和支撑框架60以及装置10的驱动系统的其他部件的透视图。图5示出了具有多个旋转车轮62的环形支撑框架60，旋转车轮62啮合轮辋14并且轮辋14围绕旋转车轮62旋转。安装支架57从框架60延伸并且将电机51、52保持在适当位置，使得从驱动轴53延伸的驱动轮54与在轨道55中对准的车轮16接触。电机可以朝向与车轮正接触而被偏置。

优选地，驱动轮54具有与轨道55中的互补凹陷啮合的齿57。这种齿和凹陷结构可能类似于在发动机同步带上发现的结构，换句话说，与仅仅摩擦驱动相反的互补的齿和凹陷布置。

驱动电机51、52分别耦合到提供电力的电池70、71，以及控制电路80、81。优选地，驱动电机51、52为高效直流无刷电机。合适的电机在本领域中是已知的。这些电机的驱动速度可以由控制电路80、81监测或者以其它方式监测，以确保其以大致相同的速度旋转和/或在轮胎16上施加类似的力，实现驱动功效，低磨损和正确功能。

轨道55可以以各种方式形成，然而在优选实施例中，轨道在模制轮胎时与轮胎一体形成。轨道可以包括已知用于加强轮胎和/或皮带的一类增强或加强材料。

前后平衡驱动系统在本领域中是已知的。当使用者向前倾斜装置时，电机驱动车轮向前。向前倾斜的量越大，车轮被驱动的速度越大。这同样适用于后方向。

虽然图5示出了轮胎上的轨道55，但应当认识到，在不脱离本发明的情况下，可以使用替代实施例。它们包括但不限于，将轨道设计在轮辋而非轮胎上，或者在二者上。或者使用无齿或少齿的基于压力的摩擦驱动。

参照图6，显示了根据本发明的具有车轮12的轨道55的装置10的透视图。图6的实施例与图1-2的类似，还示出了轮辋14和驱动轨道55的部分。

双电机、双电池和双控制电路为装置10提供了重要的冗余。例如，在电机、电池或控制电路(或者其之间的连接)出现故障的情况下，剩余的电机、电池、控制电路会被优先编程以检测故障，并且可能在15-30秒内，慢速安全地使车轮停止。这允许对装置进行安全停止和拆卸。除了协调这种慢速安全的关闭之外，控制电路会优选地通过扬声器发出声音警告信号，扬声器可以和控制电路一起定位在电路板上或者定位在其他地方。

电池70、71可以是在前后平衡装置中使用的任何合适的电池类型(例如，锂离子)和/或未来的新电池技术。合适的电池在本领域中是已知的。控制电路80、81可以包括位置传感器82(传感器82与控制电路80一起显示)。可以有一个传感器或者多余的传感器，例如，传感器可以设置有控制电路81(图中未示出，但优选地与传感器82对称定位)。优选地，传感器是能够感测前后位置和横向位置的三维传感器(即陀螺仪传感器)。这样的传感器在本领域中是已知的。控制电路可以包括处理器(或者其它可编程电子装置)、存储器、功率调节器和其他已知的和/或标准的用于这种类型控制电路(例如，接收控制信号和/或位置数据，以及响应此来驱动电机51、52)的电子装置。这些部件可以安装在印刷电路板上。装置10可以被编程为使得当倾斜转弯时，车轮速度自动减小，如美国专利号8,807,250所讨论的。

轮辋14、框架60和安装支架57可以由金属形成，比如铝。外壳可以由合适的塑料形成。

本发明包括使用独轮结构。为了本发明的目的，“独轮结构”包括具有轮胎和轮辋以及独个旋转轴的结构。这可以是具有安装在其上的两个平行布置的轮胎的独轮辋结构(提供独个旋转轴线的独轮辋结构)，或者具有两个独轮辋但是彼此相邻安装并且具有共同或共享的轮轴和旋转轴线的装置。

参照图7-8，显示了独轮装置及其驱动系统的另一实施例的透视图。图7显示了安装有外壳的装置120，图8显示了移除了外壳和其他部件以更好显示驱动组件的装置。图9显示了轮辋和驱动构件的一个实施例的横截面图。

图7示出了车轮121、两个平台124、125、平台附接到的框架126以及腿部接触衬垫或表面(以下称为“腿部接触构件”)128。

图8示出了车轮121的轮胎122和轮辋123，两个驱动组件140、150和导向辊170。在图9中可以更清楚地看到，轮辋123可以具有脊部131，脊部131的直径小于轮辋123的侧向外围处的直径，从而有效地限定出两个面134、135。请注意，尽管显示的脊部构件131具有相对较尖锐的角，但是该构件可以更具侧向扩展性和/或具有平坦或弯曲的形状或者以其它方式配置。无论脊部构件的配置如何，一个重要特征是形成两个可以分别施加反作用“定心”力的“面”。

在图8的实施例中，设置了两个电机141、151。这些电机分别具有驱动轴142、152和驱动构件145、155。优选地，电机耦合到车轮框架内，使得驱动构件145、155在相对侧接触面134、135。

这种布置提供了若干益处，其中之一是“定心”，这是通过两个驱动构件向轮辋的两侧提供基本相等且相反的力实现的。

驱动组件140、150以适当的角度和位置在内部安装到框架上。驱动组件安装在框架中，使得在静止时，驱动构件在该位置接触轮辋。驱动构件在静止时在轮辋上施加的接触力或压力的量是最小的。驱动组件安装在框架中，并且脚踏平台耦合到框架，使得当使用者将其重量置于脚踏平台上时，使用者5的重量会将驱动构件推动到与轮辋的更高摩擦(更高压力)啮合。在优选实施例中，该“轮辋接触力”与使用者的重量成比例，使用者越重，接触力越大，摩擦就越大。这是优选的情况，因为只有当用于更重的人时并且根据需要用于更重的人时，才会以更高的摩擦驱动车轮，从而进一步减少驱动构件上的磨损量。

更具体地参照图9，驱动构件145、155基本上可以是圆柱形的，因此相对于现有技术显著改善。然而，在更优选的实施例中，驱动构件可以朝向脊部构件131稍微向外变细。如果驱动构件145、155精确地为圆柱形，则由于脊部构件131和轮辋123边缘之间的直径差异(以及因此产生的速度差异)导致的摩擦，可能发生效率损失。因此，驱动构件可以稍微变细来补偿这种差异。如图5所示，驱动构件145具有较大的直径，其中轮辋123的直径较小(在脊部构件131处)，反之亦然。这具有消除脊部构件和轮辋123的边缘之间的速度差异的效果。

该角度α可以是几度(优选地0.5至5或者1至3，或者更小，或者其它)。在一个代表性实施例中，对于大约18度的“面角”而言，大约为1度。

为了附图清楚起见，图9中未显示第二驱动组件150。应当理解的是，它与驱动组件140相对布置，且接触面134(或者导向辊在其位置处，如下所述)。

参照图10，显示了替代实施例，其中设置了一个驱动组件240，并且被动辊248定位成接触与驱动构件245接触的面相对的轮辋面。

参照图11，可以调整图6实施例，使得驱动构件345和轮辋323被配置成增加驱动构件和轮辋面334之间的接触表面面积和摩擦。轮辋面335相应地更小。

参照图12，显示了根据本发明的驱动组件的另一个替代实施例。在图12的实施例中，驱动轴和电机441的轴线基本上垂直(当车轮是垂直时)，并且轮辋423配置有环形面，该环形面被布置成接触耦合到驱动轴的驱动构件。在图8的实施例中，该面具有与驱动轴类似的定向，尽管在不脱离本发明的情况下，该面和驱动轴的定向可以不同。优选地，设置导向辊448以推动轮辋423与摩擦辊445接触。

虽然环形面上的两个点，例如摩擦辊顶部的点和底部的点，速度将会不同(对于底部的点而言路径更长)，但是与现有技术中的布置相比，这种差异相当小，因此磨损基本上更均匀而且更慢，因此驱动机构正常运行时间更长，而且精度更高，能量效率更高。

尽管已经结合具体实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，可以对本发明进行进一步修改，并且本申请涵盖一般根据本发明的原理并且包括本发明所属领域中已知的或惯用的实践内的，可以应用于上文阐述的基本特征的，并且落入本发明的范围以及所附权利要求的限制内的与本公开内容的偏离的对本发明进行的任何变化、使用或调整。

Claims (9)

1.一种机动前后自平衡运输装置，包括：

独轮结构，具有至少第一车轮；

位置传感器；

第一驱动机构，所述第一驱动机构包括第一驱动电机、第一电池和第一控制电路，所述第一控制电路基于来自所述传感器的位置信息将所述车轮朝向前后自平衡驱动；

位于所述车轮的相对侧的第一和第二脚踏平台，每个具有脚跟区域；

其中，所述第一驱动电机和所述第一电池中的一个在所述装置中位于前部或后部，且都没有放置在车轮内；

还包括外壳，所述外壳覆盖所述第一车轮的一部分和所述第一驱动电机以及第一电池，限定出在所述第一脚踏平台和所述第二脚踏平台的所述脚跟区域上方基本上垂直对齐的第一和第二非限制性露天腿部凹陷；

其中，在行程方向线中具有到所述车轮的中央垂直平面，并且所述第一驱动电机和第一电池中的一个的外部范围向所述中央垂直平面垂直延伸比所述腿部凹陷向所述中央垂直平面垂直延伸的更大的距离。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一驱动电机和所述第一电池中的一个在所述装置中基本上位于前部，并且所述第一驱动电机和所述第一电池中的另一个在所述装置中基本上位于后部，并且二者彼此间隔开形成空气间隙，所述腿部凹陷至少部分地位于所述空气间隙中。

3.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一脚跟区域延伸到所述第一车轮的包络内。

4.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一车轮包括驱动轨道，所述驱动轨道包括一系列分散的凸起和凹陷，并且其中，所述第一驱动电机包括驱动轴和驱动头，所述驱动头具有在所述轨道的凸起和凹陷内基本上互补配合的齿，使得所述驱动轴的旋转引起所述驱动头的旋转，从而使所述第一车轮进行相应的运动。

5.如权利要求4所述的装置，其中，所述第一车轮具有轮辋和轮胎，所述驱动轨道形成在所述轮胎中。

6.如权利要求1所述的装置，还包括第二驱动机构，所述第二驱动机构包括第二驱动电机、第二电池和第二控制电路，所述第二控制电路基于来自所述传感器的位置信息将所述第一车轮朝向前后自平衡驱动。

7.如权利要求6所述的装置，其中，所述第一和第二控制电路被配置成使得当所述第一或第二驱动机构中的一个故障时，剩下的正常运行的驱动机构进入慢速停机状态并且在其中使所述第一车轮慢速安全停止。

8.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一驱动电机和所述第一电池中的至少一个或另一个基本上位于所述车轮的包络的外部。

9.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一驱动电机和所述第一电池都基本位于所述第一车轮的包络的外部。

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