電動(dòng)自平衡單輪車的制作方法
【專利說明】電動(dòng)自平衡單輪車
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2012年8月22日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/692，131、2012年10月4日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/709，924、2013年4月30日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/817,817和2013年8月7日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/863，064的優(yōu)先權(quán)，這些美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容由此通過引用以其整體并入本文用于所有目的。
[0003]介紹
[0004]在遍及全世界的現(xiàn)代社會(huì)中，正需要新形式的運(yùn)輸工具。在設(shè)計(jì)用于運(yùn)輸?shù)慕煌üぞ咧械囊粋€(gè)挑戰(zhàn)包括平衡能量效率、良好可用性和用戶喜好。
[0005]附圖簡(jiǎn)述
[0006]圖1是示出某些主要部件之間的關(guān)系的動(dòng)力單輪車(unicycle)的實(shí)施例的方框圖。
[0007]圖2是電動(dòng)自平衡單輪車的實(shí)施例的等距視圖。
[0008]圖3是圖1的動(dòng)力單輪車的側(cè)視圖。
[0009]圖4是適合于在動(dòng)力單輪車上使用的車輪的實(shí)施例的等距視圖。
[0010]圖5是沿線5-5截取的圖4的車輪的截面圖。
[0011]圖6是適合于在動(dòng)力單輪車上使用的座椅部分的實(shí)施例的等距視圖。
[0012]圖7是圖2的動(dòng)力單輪車的框架部分的側(cè)視圖。
[0013]圖8是圖7的框架部分的俯視圖，示出圖9的機(jī)構(gòu)的實(shí)施方式。
[0014]圖9是說明性的四連桿機(jī)構(gòu)的示意圖。
[0015]圖10是電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)施例的等距視圖。
[0016]圖11是從相反側(cè)看到的圖10的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的等距視圖。
[0017]圖12是圖10的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的所選擇的驅(qū)動(dòng)部件的等距視圖。
[0018]圖13是圖2的動(dòng)力單輪車的一部分的后平面圖，示出了叉狀物、驅(qū)動(dòng)殼體、輪轂板和腳踏件之間的連接。
[0019]圖14是安裝在無輪轂車輪中的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖。
[0020]圖15是圖14的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一部分的側(cè)視圖，示出了驅(qū)動(dòng)鏈輪和環(huán)形齒輪之間的交互。
[0021]圖16是無輪轂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例的端截面圖。
[0022]圖17是具有固定到其上的輪床的動(dòng)力單輪車的實(shí)施例的等距視圖。
[0023]詳細(xì)描述
[0024]在本公開中描述和說明了電動(dòng)自平衡單輪車。通常，電動(dòng)自平衡單輪車可包括連接到框架的單個(gè)車輪組件，所述框架為騎車人支撐座椅和手柄桿。在一些示例中，單輪車相對(duì)于與車輪的旋轉(zhuǎn)軸線平行的軸線可以是自平衡的。術(shù)語“自行車”、“車”、“單輪車”和“交通工具”都可在本文中可互換地使用，以指示根據(jù)本公開構(gòu)造的一輪式交通工具。電動(dòng)單輪車裝置和系統(tǒng)在美國(guó)專利公開號(hào)2012/0217072中被描述，該美國(guó)專利由此通過引用以其整體并入本文用于所有目的。
[0025]除非另外指明，根據(jù)本公開的動(dòng)力單輪車和/或其各種部件可以包含但不要求包含本文描述、說明和/或并入的結(jié)構(gòu)、部件、功能和/或變化中的至少一個(gè)。此外，本文描述、說明和/或并入的與單輪車有關(guān)的結(jié)構(gòu)、部件、功能和/或變化可被包括在但不要求包括在其他類似設(shè)備中。
[0026]圖1示出根據(jù)本公開構(gòu)造的動(dòng)力單輪車10的某些主要部件的示意圖。單輪車10可包括任何合適的單車輪交通工具，所述單車輪交通工具構(gòu)造有被容納在車輪中的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的多輸入、自動(dòng)平衡控制系統(tǒng)。在所述的示例中，單輪車10可包括由一個(gè)或多個(gè)馬達(dá)14驅(qū)動(dòng)的車輪組件12，所述一個(gè)或多個(gè)馬達(dá)14進(jìn)而由接收一個(gè)或多個(gè)輸入18的控制器16控制。
[0027]車輪組件12可包括經(jīng)構(gòu)造將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本容納在車輪內(nèi)的任何合適的單車輪結(jié)構(gòu)。此類車輪組件的示例在下面進(jìn)一步詳細(xì)描述。馬達(dá)或多個(gè)馬達(dá)14可包括任何合適的馬達(dá)和/或經(jīng)構(gòu)造使車輪組件12的車輪旋轉(zhuǎn)的其他原動(dòng)機(jī)。例如，馬達(dá)14可包括電池供電的電馬達(dá)，所述電池供電的電馬達(dá)可操作地連接到車輪組件12使得馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)引起車輪的旋轉(zhuǎn)。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)和定時(shí)系統(tǒng)和類似物可被包括在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，以有助于由馬達(dá)14驅(qū)動(dòng)車輪。這些系統(tǒng)也在下面進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0028]控制器16可包括任何合適的電子控制器，所述電子控制器經(jīng)構(gòu)造基于某些輸入18的狀態(tài)自動(dòng)地調(diào)整車輪的速度和/或方向。在圖1中所示的示例中，這些輸入18可包括姿態(tài)輸入20、傾斜調(diào)整輸入22和/或制動(dòng)輸入24。在一些示例中，控制器16可包括一個(gè)或多個(gè)合適的互連電子電路、存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元、馬達(dá)控制器和/或經(jīng)構(gòu)造執(zhí)行軟件和/或固件指令來控制馬達(dá)14的控制芯片。
[0029]姿態(tài)輸入20可包括經(jīng)構(gòu)造對(duì)應(yīng)于交通工具10的物理取向的任何合適的輸入。輸入20可由姿態(tài)傳感系統(tǒng)26提供。姿態(tài)傳感系統(tǒng)26可包括經(jīng)構(gòu)造確定交通工具10相對(duì)于地球的中心在空間中的取向的任何合適的傳感器和/或設(shè)備。例如，姿態(tài)傳感系統(tǒng)26可包括用于確定俯仰(pitch)、搖擺(roll)和/或偏轉(zhuǎn)(yaw)的一個(gè)或多個(gè)傳感器28。在這些示例中，術(shù)語俯仰、搖擺和偏轉(zhuǎn)以它們的標(biāo)準(zhǔn)含義使用。因此，俯仰可被定義為繞著與車輪的旋轉(zhuǎn)軸線平行的軸線(可互換地稱為“Y”軸線)樞轉(zhuǎn)。俯仰也可描述為向上和向下傾斜交通工具的車頭(nose)。搖擺可被定義為繞著與交通工具的行駛方向平行的軸線(可互換地稱為“X”軸線)樞轉(zhuǎn)。搖擺也可描述為左右傾斜交通工具。偏轉(zhuǎn)可被定義為繞著與穿過車輪中心的垂直軸線平行的軸線(可互換地稱為“Z”軸線)樞轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)也可描述為如當(dāng)改變行駛的前進(jìn)方向或方向時(shí)左右旋轉(zhuǎn)車輪。
[0030]在一些示例中，傳感器28可包括一個(gè)或多個(gè)傾斜計(jì)、加速計(jì)和/或陀螺儀。例如，搖擺類型的傳感器28可包括加速計(jì)，該加速計(jì)與陀螺儀組合來形成經(jīng)構(gòu)造傳感搖擺取向的傾斜計(jì)。傳感器28可固定到交通工具10。在一些示例中，傳感器28可與控制器16并置排列如在共同電路板上或在共同外殼內(nèi)。在一些示例中，傳感器28可位于交通工具的重心的附近，如車輪組件12內(nèi)。如與距重心更遠(yuǎn)的位置相比，此位置可提高傳感器關(guān)于交通工具的實(shí)際取向的準(zhǔn)確性。
[0031]控制器16可經(jīng)構(gòu)造通過自動(dòng)地調(diào)整馬達(dá)14響應(yīng)姿態(tài)輸入20來減少所測(cè)得的取向和所期望的取向之間的差異。例如，所測(cè)得的俯仰或所傳感的俯仰可以與所期望的俯仰取向比較。如果實(shí)際俯仰不同于所期望的俯仰，控制器可增加或減小馬達(dá)14的速度，以減少該差異。所期望的俯仰可稱為“零俯仰設(shè)定點(diǎn)”或“零設(shè)定點(diǎn)”。
[0032]在一些示例中，零俯仰設(shè)定點(diǎn)可基本上等于距垂直面零度的俯仰，所述垂直面可對(duì)應(yīng)于垂直的和/或平衡的單輪車。在這些示例中，如果自行車向前傾倒，則傳感器28將檢測(cè)指示自行車車頭從水平面向下傾倒的俯仰，并且將該俯仰傳給控制器。控制器將比較所傳感的俯仰與零設(shè)定點(diǎn)，并且將確定在向前方向上存在差異。在一些示例中，此差異可以是正的，而在向后傾倒的方向上的差異可以是負(fù)的。
[0033]然后控制器將采取行動(dòng)，以減少所傳感的俯仰和所期望的俯仰之間的正差別或增量(delta)。在此示例中，控制器可增加馬達(dá)14的速度，以驅(qū)動(dòng)車輪向前并減少自行車的向前俯仰。隨著此行動(dòng)生效和所傳感的差異接近零，控制器可引起馬達(dá)加速以趨于平穩(wěn)，并且可以以新的較高速度達(dá)到新的平衡。類似地，確定存在負(fù)增量可引起馬達(dá)速度減小或可引起馬達(dá)方向變化。因此，用戶(可互換地稱為“騎車人”或“操作者”)可通過向前傾或向后傾來轉(zhuǎn)移重量分布和由此傾斜交通工具，以控制單輪車10的速度，從而引起所傳感的俯仰從零設(shè)定點(diǎn)變化并引起控制器如上所討論進(jìn)行補(bǔ)償。
[0034]除了俯仰類型的傳感器提供輸入來允許控制器補(bǔ)償來自所期望的俯仰的變化以夕卜，其他傳感器輸入可由控制器接收來執(zhí)行各種其他功能。例如，搖擺傳感器輸入可以和預(yù)期范圍的搖擺取向比較，以確定交通工具是否已經(jīng)翻倒。在此示例中，控制器可被構(gòu)造為當(dāng)此類條件被傳感到時(shí)，切斷供交通工具的電力，或切斷供諸如驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的所選擇的子系統(tǒng)的電力。
[0035]在一些示例中，當(dāng)存在某些條件時(shí)，如當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)交通工具產(chǎn)生顯著的離心力時(shí)，俯仰傳感器可提供偏斜信息。在此條件下，偏斜的俯仰傳感器可向控制器發(fā)送錯(cuò)誤信息，導(dǎo)致控制器不正確地?cái)喽ㄐ枰┭鲂Ｕ?。本發(fā)明人已經(jīng)確定控制器可使用來自搖擺傳感器的輸入來補(bǔ)償這種先前想不到的偏斜條件。當(dāng)單輪車10轉(zhuǎn)彎時(shí)，車輪必定在X軸線上傾斜，從而產(chǎn)生指示轉(zhuǎn)彎可能正在進(jìn)行的搖擺值。此信息可用于補(bǔ)償所得的偏斜俯仰輸入，例如通過以預(yù)定或計(jì)算的量偏移所傳感的俯仰值。
[0036]控制器16可從諸如傾斜調(diào)整控件30的第一用戶輸入裝置接收傾斜調(diào)整輸入22。傾斜調(diào)整控件30可包括任何合適的機(jī)械或虛擬用戶接口裝置，其經(jīng)構(gòu)造允許用戶向控制器16傳送所期望的傾斜調(diào)整量。例如，傾斜調(diào)整控件30可包括撥盤(dial)、開關(guān)、按鈕、控制桿(lever)和/或鍵盤。這些用戶輸入裝置中的任何一個(gè)可如在安裝在單輪車10上或以其他方式與單輪車10相關(guān)聯(lián)的屏幕或其他顯示器上的圖形用戶接口(GUI)的情況下機(jī)械地或虛擬地實(shí)現(xiàn)。在一些示例中，用戶輸入裝置可包括能夠語音識(shí)別的語音用戶接口，用戶可通過所述語音用戶接口向控制器提供語音命令。
[0037]不管用戶輸入裝置的類型，輸入30可用于以與所述輸入對(duì)應(yīng)的量偏移零俯仰設(shè)定點(diǎn)。例如，用戶可按下第一按鈕，以向控制器傳送所述零設(shè)定點(diǎn)應(yīng)該在正方向上以一度偏移。在此示例中，用戶可按下第二按鈕，以在負(fù)方向上傳送一度的偏移。在其他示例中，用戶可通過轉(zhuǎn)動(dòng)連續(xù)或離散的撥盤，在鍵盤上輸入數(shù)字等來傳送所期望的偏移。作為響應(yīng)，控制器16可以以所期望的量或以對(duì)應(yīng)的量偏移零設(shè)定點(diǎn)。
[0038]例如，如果用戶指示“三度向前”偏移，則零設(shè)定點(diǎn)可調(diào)整到垂直面的向前三度，并且然后當(dāng)控制馬達(dá)14時(shí)，控制器將使用新的零設(shè)定點(diǎn)來與實(shí)際俯仰比較。在此示例中，控制器將嘗試保持單輪車處于三度角，而不是原來的距垂直面零度。以這種方式使用傾斜調(diào)整控件，用戶可實(shí)時(shí)調(diào)整所期望的自行車的傾斜角。這可以是期望的，例如補(bǔ)償騎車人的體型、在自行車上的重量分布、用戶舒適度和/或支撐表面傾斜和下降。
[0039]偏移量可通過使用靜態(tài)變量在軟件或固件中實(shí)現(xiàn)，使得所期望的偏移量保持處于由用戶傳送的值，直到用戶如經(jīng)由傾斜調(diào)整控件30提供不同的輸入。此外，此偏移量的值可存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中，使得零設(shè)定點(diǎn)以相同的量偏移，即使供控制器的電力循環(huán)。在一些示例中，通過使用硬件實(shí)施方式可實(shí)現(xiàn)類似的結(jié)果，如通過以保持在設(shè)定位置中直到用戶設(shè)定不同位置的撥盤形式提供傾斜調(diào)整控件30。在一些示例中，可提供所存儲(chǔ)的用戶配置文件，并且每個(gè)用戶配置文件可具有其自身的自定義偏移值。在這些示例中，用戶可選擇所建立的配置文件之一并且零設(shè)定點(diǎn)可進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整。
[0040]控制器16可從諸如制動(dòng)控件32的第二用戶輸入裝置接收制動(dòng)輸入24。制動(dòng)控件32可包括任何合適的機(jī)械或虛擬用戶接口裝置，其經(jīng)構(gòu)造允許用戶向控制器16傳送所期望的制動(dòng)量。例如，制動(dòng)控件32可包括自行車和摩托車制動(dòng)系統(tǒng)中典型的手操作控制桿，但亦或替代地可包括諸如撥盤、開關(guān)、按鈕和/或鍵盤的一個(gè)或多個(gè)控件。如