具有悬架接口的自平衡板的制作方法

本申请要求2015年11月3日递交的PCT申请PCT/IB2015/058495号以及2016年9月7日递交的美国专利申请US 15/258,634号的优先权，两者的内容在此通过引用完整结合在本文中。

技术领域

本发明涉及用于个人的运载车辆，特别是具有悬架接口的自平衡板。

背景技术：

用于运载个人的自平衡车辆在现有技术中是已知的。如US6302230 B1和AT299826(卡门(Kamen))所述，通常这种车辆配备有两个同心的独立地驱动的轮子，这两个轮子间隔开并具有在其间的平台，车辆的骑乘者可以站立在平台上，面向预期的前后运动方向。陀螺仪传感器和加速度计传感器检测平台的取向和运动中的改变并馈送信息到马达控制系统，该系统编程为通过在任何方向上旋转轮子来保持平台的取向在一定范围内水平，以使得在车辆持续运动时车辆和骑乘者的重心对准。在一些类型中，提供连接到平台的直立把手，使得骑乘者能够通过侧向倾斜来进一步控制车辆，从而轮子将以不同的速度和/或方向旋转，使得车辆转向。

上述自平衡车辆的另一变型由US8738278B2(陈(Chen))教导，其中车辆具有两个间隔开的独立地提供动力的轮子，且轮子由马达控制系统控制，并具有在其间的平台，该平台横向地划分为两个半部。平台的每个半部关联于一个轮子、传感器和马达，并对应于车辆骑乘者左脚和右脚的位置，从而骑乘者可以使用他们的脚来相对于彼此倾斜两个平台部段，以控制两个轮子的相对速度和旋转方向。该类型的自平衡车辆的一个优点是不需要直立把手，使得该单元较小且不用手就可以操纵。

第三种类型的自平衡车辆基于单个轮子。US2011220427A1(陈(Chen))公开了一种自平衡车辆，其具有大型轮子和在轮子两侧的脚搁板。从每个脚搁板向上延伸的摩擦垫设计用于通过向骑乘者的小腿内侧提供支撑而给骑乘者提供更高稳定性和舒适性。

CN203581249和CN203581250公开了另一种类型的两轮装置，其类似于US6302230中所公开的车辆，其中在其上支撑骑乘者的平台具有在其横向侧定位的两个轮子。骑乘者站立，使他们的重心在平台上方且基本上不横向倾斜。两个轮子中的每个独立地悬挂，以向使用者提供更加舒适的骑乘。在遇到行驶表面中典型的不平整性时，骑乘者的重量可能会突然地向前或向后移动，分别使得骑乘者将其重量移动至其脚趾或其脚踝。该车辆可以通过加速或减速到车辆位于骑乘者重心下方的位置来进行补偿。

CN203921066和CN204250249公开一种独轮车辆，其中使用者跨过轮子并将脚放置在轮子两侧的脚搁板上。骑乘者可以稍稍向前或向后倾斜以使独轮车辆加速或减速。此外，骑乘者可以稍稍向左或向右倾斜以使得车辆在运动时转向。然而，在这两种情况下，骑乘者的重心基本上都位于轮子上方。悬架将脚搁板联接到轮子并提供更加舒适的骑乘。类似于CN203581249中公开的车辆，在遇到行驶表面中典型的不平整性时，骑乘者的重量可能会突然地向前或向后移动，分别使得骑乘者将其重量移动至其脚趾或其脚踝。该车辆可以通过加速或减速以将车辆定位到骑乘者重心下方来进行补偿。

技术实现要素：

根据一个非限制性方面，提供一种用于横向运载个人的自平衡板，包括：

马达单元，其具有延伸的驱动轴，该驱动轴限定参考z-轴线和垂直于z-轴线的x-y平面；

动力单元，其联接到马达单元以向其提供动力；

轮子，其具有旋转轴线并适于接收马达单元，其中旋转轴线和z-轴线同心地对准；

细长板单元，其主要具有长方体形状，其侧面沿着相应的对称轴线延伸，限定参考轴线x、y和z，和假想的板重心，限定x-z平面和法向轴线y，具有凹入部，该凹入部适于对称地与z-轴线同心地接收轮子，驱动轴在两端通过衬套装置固定到板单元上，且该板使得骑乘者能够跨过轮子沿着x-z平面站立，骑乘者的脚主要沿着x方向取向；

运动传感器，其附接到板单元；及

控制单元，其适于读取来自运动传感器的数据并选择性地控制向马达单元提供的动力，以便保持板单元的重心和骑乘者的重心之间的垂直对准，

其中在板单元和马达单元的驱动轴之间设置有至少一个悬架接口，该至少一个悬架接口具有基本上与细长板单元的x-z平面垂直的单个自由度。

至少一个悬架接口中的每个可以包括气动阻尼器。

至少一个悬架接口中的每个可以包括液压阻尼器。

至少一个悬架接口中的每个可以包括干摩擦阻尼器。

至少一个悬架接口中的每个可以包括由弹性材料制成的阻尼器，弹性材料诸如橡胶或泡沫。

根据另一非限制性方面，提供一种用于横向运载个人的自平衡板，包括：

马达单元，其具有延伸的驱动轴，该驱动轴限定z-轴线；

动力单元，其联接到马达单元以向其提供动力；

轮子，其具有旋转轴线并适于接收马达单元，其中旋转轴线和z-轴线同心地对准；

细长板单元，其包括第一脚踏板部分和第二脚踏板部分，其中第一脚踏板部分基本上支撑骑乘者的第一脚，而第二脚踏板部分基本上支撑骑乘者的第二脚，该板单元适于沿着板单元的纵向轴线在第一脚踏板部分和第二脚踏板部分之间接收轮子，该板单元的纵向轴线基本上正交于轮子的旋转轴线，该驱动轴在两端通过衬套装置固定到板单元上；

陀螺仪传感器，其附接到板单元；

控制单元，其适于读取来自陀螺仪传感器的数据并选择性地控制供给到马达单元的动力，以便保持板的重心和骑乘者的重心之间的垂直对准；及

至少一个悬架接口，其位于板单元和马达单元的驱动轴之间，并具有与轮子的旋转轴线和细长板的纵向轴线基本上正交的单个自由度。

根据另一非限制性方面，提供一种自平衡板，包括：

平台，其包括第一脚踏板部分和第二脚踏板部分，其中第一脚踏板部分基本上支撑骑乘者的第一脚，而第二脚踏板部分基本上支撑骑乘者的第二脚；

轮子组合件，其沿着平台的纵向轴线定位在第一脚踏板部分和第二脚踏板部分之间，该轮子组合件包括：

轮子，其具有与平台的纵向轴线基本上正交的旋转轴线；及

马达单元，其驱动轮子；

取向传感器，其检测平台的取向；

控制器，其接收来自取向传感器的数据并响应于接收到的数据控制马达单元；及

至少一个悬架接口，其位于平台和轮子组合件之间并具有与轮子的旋转轴线和平台的纵向轴线基本上正交的单个自由度，并将平台朝向停放位置偏置。

至少一个悬架接口中的每个可以包括弹簧。

弹簧可以包括螺旋金属线圈。

弹簧可以包括板弹簧。

弹簧可以包括弹性元件。

至少一个悬架接口中的每个还可以包括阻尼器。

阻尼器可以包括气动阻尼器。

阻尼器可以包括液压阻尼器。

阻尼器可以包括干摩擦阻尼器。

阻尼器可以由弹性材料制成，弹性材料诸如橡胶或泡沫。

轮子组合件还可以包括延伸通过马达单元的轮轴，且其中至少一个悬架接口中的每个可以联接到轮轴。

至少一个悬架接口可以包括细长槽，该细长槽与轮子的旋转轴线和平台的纵向轴线正交。

轮子组合件和至少一个悬架接口中的至少一个的特征可以防止平台相对于轮子组合件倾斜。

该特征可以包括固定到轮子组合件的衬套，其尺寸适合于紧贴地接收在细长槽内且在细长槽内不能旋转。

该特征可以包括轮轴的横截面，其尺寸适合于紧贴地接收在细长槽内且在细长槽内不能旋转。

自平衡板还可以包括至少两个悬架接口，该至少两个悬架接口的细长槽在其间具有固定的宽度。

自平衡板还可以包括联接到控制器的加速度计，其中控制器接收来自加速度计的运动数据并响应于接收到的运动数据控制马达单元。

轮子可以包括轮胎，该轮胎具有基本上平坦的中央胎面区域并朝向其横向侧渐细。

根据又一非限制性方面，提供一种自平衡板，包括：

平台，其包括第一脚踏板部分和第二脚踏板部分，其中第一脚踏板部分基本上支撑骑乘者的第一脚，而第二脚踏板部分基本上支撑骑乘者的第二脚；

轮子组合件，其沿着平台的纵向轴线定位在第一脚踏板部分和第二脚踏板部分之间，该轮子组合件包括：

轮子，其具有与平台的纵向轴线基本上正交的旋转轴线；及

马达单元，其驱动轮子；

取向传感器，其检测平台的取向；

控制器，其接收来自取向传感器的数据并响应于接收到的数据控制马达单元；及

至少一个悬架接口，其位于平台和轮子组合件之间并防止平台相对于轮子组合件的旋转以及横向和纵向运动，该至少一个悬架接口将平台朝向停放位置偏置。

附图说明

现将参考附图以仅作为示例的方式描述实施例，在附图中：

图1是骑乘者定位在根据非限制性实施例的自平衡板上方的侧透视图；

图2是图1所示自平衡板的侧透视图；

图3A示出图1所示自平衡板的俯视平面图；

图3B示出图1所示自平衡板的侧视平面图；

图3C示出图1所示自平衡板的仰视平面图；

图3D示出图1所示自平衡板的后视平面图；

图4是图1所示自平衡板的分解图，包括轮子组合件和一对悬架接口；

图5是图4所示悬架接口中的一个和轮子组合件的一部分的分解图；

图6示出图1至图5所示自平衡板的行驶路径的俯视图；及

图7示出图1至图5所示自平衡板在图6中的线7-7处的横向取向。

具体实施方式

图1示出在由骑乘者104使用的根据第一非限制性实施例的自平衡板100。自平衡板100具有平台108，该平台108是细长板单元，并具有限定脚踏板112的顶表面，骑乘者104站立在该脚踏板上。平台108的顶表面总体上称为平台108的x-z平面。骑乘者104如图所示用他或她的脚跨过居中且对称地定位的轮子组合件5，平台108可旋转地与轮子组合件联接，骑乘者意图面向其左侧和右侧基本上沿着x-轴线行驶。自平衡板100和骑乘者104两者都具有重心(CoG，Center of Gravity)，分别标记为CoG_板和CoG_骑乘者。CoG板总是近似地与轮子组合件5的旋转轴线重合，自平衡板100的控制单元能够控制在轮子组合件5内的马达来驱动轮子，且因此向前或向后驱动自平衡板100以便保持两个CoG垂直对准。因此，骑乘者104能够沿着x方向向左或向右倾斜，从而改变CoG的对准和平台108的取向，使得平台108的一端朝向自平衡板100定位于其上的表面枢转，而平台108的另一端枢转离开该表面。

图2示出自平衡板100的总体设计。平台108沿着纵向轴线(即，x-轴线)基本上是细长形的并具有基本上居中的轮子开口116或凹入部，而轮子组合件5固定到该开口或凹入部中。平台108具有在居中的轮子开口116两侧由盖板1桥接并固定的两个侧框架构件3。盖板1在侧框架构件3的纵向端部固定两个端盖2。侧框架构件3和端盖2一起限定在形状上为长方体的盒形框架结构。盖板1的顶表面基本上平行并限定脚踏板部分112a、112b，脚踏板部分分别基本上支撑骑乘者104的脚。脚踏板112基本上是指骑乘者104的脚定位于其上的平面。在一些实施例中，平台由骑乘者的脚所搁置的表面可以不相对于彼此平行，或不与由表面限定的脚踏板平行。

挡板6设置为防止骑乘者的脚接触轮子组合件5，且轮盖7进一步在平台108顶侧限制对轮子组合件5的接触。

图3A至图3D示出图1所示自平衡板100以及参考坐标系的俯视、侧视、仰视和后视平面图。

如图2和图3A至图3D所示，轮子组合件5定位在由平台108的侧框架构件3和盖板1限定的居中的轮子开口116内。特别是如参考图3A至图3C所示，轮子组合件5沿着平台的纵向轴线定位在脚踏板部分112a、112b之间，该平台的纵向轴线由标记的x-轴线表示。此外，轮子组合件5及其轮子的旋转轴线表示为z-轴线且基本上与平台的纵向轴线(x-轴线)正交。

特别是如参考图3D所示，轮胎120具有围绕其圆周的中央平坦胎面区域并朝向其横向侧渐细。可以理解，轮胎120和行驶表面之间的接触区域在轮胎120的旋转轴线基本上平行于行驶表面时最大，并在轮胎120横向倾斜时尺寸减小。轮子组合件5如图所示相对于平台108处于停放位置。

现参考图3A至图5，示出自平衡板100的各种部件。特别是，轮子组合件5如图所示具有马达单元18，轮子固定到马达单元18上。轮子包括固定到马达单元18的两个轮缘部段20，和固定地配合在轮缘部段20的外圆周上的轮胎120。马达单元18驱动轮缘部段20和轮胎120围绕延伸通过马达单元18的驱动轴19旋转。驱动轴19经由悬架接口124连接到平台108的每个侧框架构件3。

悬架接口124协作地控制平台108相对于轮子组合件5的运动，在该情况下经由驱动轴19进行控制，提供单个自由度并将平台108相对于轮子组合件5朝向停放位置偏置。

在该具体实施例，悬架接口124包括减振器4，因此悬架接口124在该示例中也可被称为减振器接口。减振器4中的每个在一端连接到驱动轴19并在另一端连接到侧框架构件3中的一个，且减振器螺母8固定到其上。

驱动轴19具有基本上圆形的横截面，而在驱动轴19的每个端部具有两个平坦部段，提供具有非圆形横截面的驱动轴19，该非圆形横截面具有所称的“双D形(double D)”形状。两个马达轴螺母21螺纹接合到驱动轴19的每个端部上，然后驱动轴19的每个端部插入通过悬架接口124的驱动滑动件22。马达轴螺母21间隔开，以紧贴地配合在悬架接口124之间，并防止驱动轴19的横向运动。每个驱动滑动件22具有通孔132，该通孔具有与驱动轴19的端部相同的总体横截面，以使得驱动轴19紧密地接收且相对于驱动滑动件22不能旋转。驱动滑动件22沿着通孔132的较长维度具有细长凸起136并在细长凸起136的外轮廓上具有两个平行平坦表面。悬架接口124的两个滑动件衬套23中的每个具有细长槽140，该细长槽滑动地接收驱动滑动件22的细长凸起136以允许在其中进行与平台108的纵向轴线x和轮子的旋转轴线z正交的运动。细长槽140具有平行的平坦侧面，该平坦侧面对应于驱动滑动件22的细长凸起136的平行平坦表面，以禁止驱动滑动件22相对于滑动件衬套23旋转。驱动滑动件22还包括周边凸缘137，该周边凸缘抵接滑动件衬套23。

每个侧框架构件3具有凹入部144，且减振器4中的一个经由减振器螺母8中的一个固定在该凹入部中。开口3b与每个侧框架构件3中的凹入部144中的减振器4纵向对准。每个滑动件衬套23具有凸缘148，该凸缘围绕细长槽延伸，其紧贴地配合在侧框架构件3之一的开口3b内以相对于侧框架构件3控制驱动滑动件22的行程，且因此控制驱动轴19的行程。驱动轴19的一端滑动地配合穿过驱动滑动件22，驱动滑动件进而配合到滑动件衬套23的细长槽140中，并延伸通过减振器4的下端衬套152。

滑动件衬套23为驱动滑动件22提供一个自由度，允许驱动滑动件22和轮子组合件5沿着y-轴线垂直运动，y轴线基本上正交于平台108和轮子的旋转轴线z，并防止轮子组合件5沿着轮子的旋转轴线z和平台108的纵向x-轴线横向地运动，而轮子的旋转轴线z和平台108的纵向x-轴线两者都正交于y-轴线，如图3A至图3C所示。驱动滑动件22防止轮子组合件5作为一个整体相对于平台108旋转运动。特别是，“双D形”平面切入到驱动轴19和驱动滑动件22两者的端部，以防止平台108围绕轮子的旋转轴线z相对于轮子组合件5倾斜，因此使得能够经由滑动件衬套23将扭矩从驱动轴19传递到侧框架构件3。此外，驱动轴19在悬架接口124之间的固定长度以及驱动滑动件22的周边凸缘137与滑动件衬套23的抵接防止平台108相对于轮子组合件5横向倾斜。驱动滑动件22用于减少驱动轴19和滑动件衬套23之间的磨损并防止平台108相对于轮子组合件5前后倾斜，但是驱动轴和滑动件衬套可以在其他实施例中构造为协作地工作以提供相同的功能性，诸如通过使得驱动轴横截面的宽度尺寸适合于紧贴地配合在滑动件衬套中以及使用较大的马达轴螺母。

减振器4可以是所称的同心螺旋(coil-over)类型的减振器，其在汽车和摩托车部件市场中容易购得。该类型的减振器具有两个部件：a)弹簧，特别是金属螺旋弹簧，用于提供承载能力以相对于轮子组合件5悬挂平台108，和b)阻尼器，其形式为气动缸或液压缸，用于吸收突然的垂直运动所产生的力。该弹簧将平台108相对于轮子组合件5朝向停放位置偏置，该停放位置是在自平衡板100放置于平坦表面上而没有任何重量位于其上时，平台108相对于轮子组合件5的位置。

在操作期间，骑乘者将脚跨过轮子组合件5放置于脚踏板部分112A、112B上。

当自平衡板100在表面上行驶并遇到表面不平整性或物体(诸如限速隆起或园艺软管)时而经历振动冲击期间，向上快速推压轮子组合件5。为了防止该振动冲击直接地传递到平台108且因此传递到骑乘者，悬架接口124允许轮子组合件5朝向平台108移动，同时施加偏置力以将平台108朝向停放位置推压。阻尼器起作用以吸收轮子组合件5相对于平台108运动的能量，因此减少传递到平台108的震动效果(jarring effect)。在振动冲击期间吸收轮子组合件5的能量时，悬架接口124的力将平台108相对于轮子组合件5朝向停放位置偏置，使得平台108和轮子组合件5被推开。

在该实施例中，同心螺旋减振器4允许有一个沿着y-轴线的自由度，这取决于驱动滑动件22和滑动件衬套23之间的相互作用。在本说明书中假定，以对称的方式在板的两侧提供减振器接口。当然，也可以想到只在单侧提供的悬架接口，同时仍然只允许平台108和轮子组合件(即，沿着y-轴线)的一个运动自由度。

通过封闭由侧框架构件3、端盖2和盖板1限定的结构，电池托盘16和PCB托盘11完成平台108的盒形结构。PCB 10定位在PCB托盘11中，该PCB包括用作控制单元的控制电路、取向传感器，以及形式为陀螺仪传感器和加速度计的运动传感器。陀螺仪传感器和加速度计使得控制单元能够确定自平衡板100的运动和取向。可移除的动力包位于电池托盘16中，其由电池包12、电池PCB 13、电池盒14、电池盖15和电池抽屉件17限定。可移除的动力包用作马达单元18的动力单元。马达单元18由轮缘部段20容纳。在其他实施例中，轮缘可以一体制成或由三个或四个部段形成。在轮缘部段20中的第二个通过四个螺钉(未示出)固定到轮缘部段20中的第一个之前，轮胎120和马达18配合到轮缘部段20中的第一个。

自平衡板100使得骑乘者能够倾斜为曲线。

图6示出在骑乘者行进通过曲线时，自平衡板100的示例性行驶路径200，以及在自平衡板100上的骑乘者的重心204。如图所示，行驶路径200向右摆动然后回到中间位置。

图7示出自平衡板100在图6中的线7-7处的横向取向。在沿着行驶路径200的该点处，自平衡板100位于骑乘者的重心204右侧。也就是说，骑乘者的重量移动到平台108左侧。结果，平台108横向地倾斜。悬架接口124，因为它们仅提供单个自由度，使得骑乘者能够保持对用于控制速度的平台108前后倾斜和用于控制其转向的横向倾斜两者的总体控制。悬架接口124防止平台108相对于驱动轴19和轮子组合件5倾斜，因此允许骑乘者控制轮胎120与行驶表面接触的部分。因为骑乘者的重心不在平台108上，且事实上是在平台108左侧，骑乘者的脚将自平衡板100向右侧推动。进而，自平衡板100的轮胎120抵靠行驶表面向右侧施加摩擦力，且行驶表面在相反方向上施加相等的力。当骑乘者的重心不在平台108上时，由于遇到表面不平整性(诸如隆起或凹坑)而与行驶表面脱离接触，可能使得自平衡板100由骑乘者的脚横向地推开，使得骑乘者摔到地上。悬架接口128通过朝向行驶表面推压轮胎减小了由于任何表面不平整性而使轮胎120与行驶表面脱离接触的可能性，而不影响骑乘者控制转向的能力。

本领域技术人员显然可以理解，振动吸收功能可以通过轮子组合件和平台之间不同类型的减振器接口来实现，只要能实现足够的承载和减振性能。

根据又一实施例，承载功能可以与减振功能分离。因此，可以在一方面，承载功能由螺旋弹簧、板弹簧或由弹性材料制成的弹簧提供，而另一方面，具有减振性能功能的阻尼器由气动缸或液压缸，或单缸或双缸类型，或基本上通过使用干固体摩擦、流体粘性摩擦或流体动力摩擦原理产生的摩擦来提供。

虽然轮子组合件如图所示具有单个轮子，但应理解，轮子组合件可以替代地具有两个或更多个轮子，其可用作并视为单个轮子。

轮子组合件能够以各种方式联接到悬架接口。例如，驱动轴可以在每个端部终止于能够联接到悬架接口的各种结构，诸如球、板等。

上述实施例预期用作本发明的示例且本领域技术人员可以对其做出替代和修改，而不脱离由本申请权利要求书所单独限定的本发明的范围。