自平衡踏板车差速控制装置的制作方法

本发明一般地涉及自平衡踏板车领域，并且更具体地涉及用于自平衡踏板车的控制机构领域。

背景技术：

自平衡踏板车(sbs)是一种设计用于携带单个乘客的休闲运输车辆或设备。通常地，自平衡踏板车(sbs)具有两个轮子，这两个轮子对称地安装在踏板车的中心线的两侧并具有共同的转动轴线。每个轮子被独立地驱动，并且通过两个轮子的差速控制来完成转向。

一种类型的自平衡踏板车(sbs)具有带有脚凳的整壳体车身，乘客/骑车者站立在该脚凳上。示例显示在美国专利no.6，302，230中，可从segway，inc.，14technologydrive，bedford，nh03110(贝德福德14技术驱动，摄位车有限责任公司，nh03110)作为获得。这种形式的自平衡踏板车(sbs)通过向前或向后倾斜车身来进行速度控制，并且其通过相对于“内侧”轮子差异地增加“外侧”轮子的速度来转向。在摄位车“pt”装置中，通过向左或向右移动“倾斜转向框架”(基本上是手柄杆支撑轴)来实现这个差速控制。

另一种类型的自平衡踏板车(sbs)采用具有镜像左右两半的分体，每一半都具有位于骑车者的脚的外侧的公共轴上的驱动轮。这种自平衡踏板车(sbs)的一个示例公开在美国专利no.8,738,278并且通俗地称为“悬停板(hoverboard)”。左半部和右半部彼此转动地连接，允许在向前/向后方向上相对转动大约正或负5°。悬停板的每一半都有自己的用于推进的电动和伺服控制驱动轮。每个轮子由无刷直流电机驱动，由骑车者通过向前或向后倾斜他或她的脚来对悬停板的每一半做出的转动输入来控制。当脚倾斜一致时，悬停板以直线向前或向后移动；当脚以不同角度倾斜时，悬停板在较小向前倾斜的脚的方向上转动。如果以相同的角度但是在相反的方向上倾斜脚，则悬停板围绕垂直轴线转动。

技术实现要素：

公开了一种可以与悬停板型自平衡踏板车(hsbs)一起使用的差速控制机构。所公开的控制机构可以被配置为售后附加部件或配置为在制造时集成到自平衡踏板车(sbs)中的部件。作为附加部件，控制机构使hsbs的现有设计和工程基本上完整无缺。如果通过制造商并入悬停板型自平衡踏板车(hsbs)，则可以在对现有设计基本上没有功能影响的情况下实施。

在一个变型中，所公开的装置可以被设计为通过例如最终用户添加到现有悬停板型自平衡踏板车(hsbs)的附件。在另一个变型中，所公开的装置可以设计成与悬停板型自平衡踏板车(hsbs)成一体。在添加或整体变型中，所公开的装置可以被配置为允许快速移除和替换用户接口部件，允许悬停板型自平衡踏板车(hsbs)在“安全”和“运动”操作模式之间快速切换。

在一个变型中，差速控制机构由单个中心定位的轴操作。在一种情况下，轴被向前/向后推动以分别向前或向后直线行进并且顺时针或逆时针转动/扭转以分别向右(即，顺时针)或向左(即，逆时针)转动。在这样的实施例中，到中心定位的轴的输入在方向和大小上都可以与骑车者在儿童的踏板车或自行车上的输入基本相同。

通常在实施方式中，差速控制机构用替代的“左转向/右转向”和“向前/向后”控制方案(这可能更直观和自然)取代传统hsbs的“向前/向后倾斜脚”运动(这对于用户而言可能是不自然的和/或笨拙的)。此外，该机构通常为骑车者提供额外的支撑点以帮助平衡。

附图说明

从以下结合附图的描述中，前述和其他目的、特征和优点将变得显而易见，其中附图标记在不同视图中指示相同的部分。附图不一定按比例绘制；相反，重点放在说明所涉及的原则上。在附图中：

图1示出了当前的悬停板式自平衡踏板车的示例；

图2示出了安装在悬停板式自平衡踏板车上的差速控制装置；

图3a是处于右转向位置的差速控制装置的实施例的立体图；

图3b是处于空档转向位置的差速控制装置的实施例的透视图；

图3c是处于左转向位置的差速控制装置的实施例的透视图；

图4是安装在悬停板式自平衡踏板车上的差速控制装置的剖视图；

图5是差速控制装置的实施例的截断分解图；

图6是上夹具部分的实施例的剖视图；

图7a-图7c是分别表示在右转向位置、空档转向位置、左转向位置的差速控制装置的剖视图；

图8a-8b是差速控制装置的第二实施例的透视图；

图9是具有可移除传动附件的差速传动联接器的分解图；

图10是差速控制装置的第三实施例的透视图；

图11是联接器稳定实施例的局部分解图；

图12是与差速传动联接器结合的联接器稳定变型的分解图；

图13是集成在差速传动联接器内的联接器稳定实施例的剖视图。

具体实施方式

图1是悬停板式自平衡踏板车(hsbs)的图示，例如可从3431williamrichardsondr.，suitef，southbend，in46628(南区f套间威廉理查森dr.3431)的swagway(摄位车有限责任公司)获得。悬停板式自平衡踏板车(hsbs)具有两个镜像的左半部和右半部，每个半部具有相应的脚踏平台20，平台在其内侧边缘22处与转动接头连接，并且每个平台具有位于其外侧边缘处的公共轴上的驱动轮50。左半部和右半部彼此转动地连接，以允许它们的脚踏平台在向前/向后方向上具有大约正或负5°的相对转动。悬停板的每一半都有自己的驱动轮伺服反馈系统。伺服反馈系统由骑车者通过如角度a所示向前或向后倾斜他或她的脚而对每个脚踏平台做出的转动输入来控制。当脚倾斜一致时，悬停板式自平衡踏板车(hsbs)以直线向前或向后移动；当脚以不同的角度倾斜时，悬停板式自平衡踏板车(hsbs)在较小向前倾斜的脚的方向上转动。如果以相同的角度但在相反的方向上倾斜脚，则悬停板式自平衡踏板车(hsbs)将围绕垂直轴线转动。轮子的角速度与平台倾斜角成比例。

如图1所示，在两个脚踏平台20的每一个上具有一只脚的情况下，骑车者站在悬停板式自平衡踏板车(hsbs)上。控制悬停板式自平衡踏板车(hsbs)需要在站在两个独立地转动无约束的脚踏平台上时以所需的角度保持骑车者的脚的能力。图2中所示的差速控制装置10提供了用于控制脚踏平台20的倾斜角度的更自然且更容易的装置。在所示的变型中，控制装置10包括骑车者接口控制机构100和差速传动联接器200，骑车者接口控制机构将骑车者的手连接到差速传动联接器200，并且差速传动联接器200设置在平台的内侧边缘22的公共接口位置处。控制装置10还包括两个平台接口300，平台接口300将差速传动联接器200的运动传递到每个脚踏平台。

图3中示出了控制装置10的一种变型的截断透视图。图3b示出了在空档转向位置的控制设备。而图3a和3c分别表示在左转向位置和右转向位置的控制设备。如安装在平台的内部边缘22附近的控制装置10的这种变型的细节图示于图4中，并且该变型的分解图示于图5中。

在该变型中，控制装置10由骑车者使用骑车者接口控制机构100操作。在所示变型中的骑车者接口控制机构100包括延伸轴110和可选的横杆手柄120。延伸轴110从差速传动联接器200的骑车者接口部210向上延伸到骑车者的方便高度。延伸轴110被向前推动以向前走，延伸轴110被向后拉动以向后走，并且绕延伸轴的轴线z转动以向左转向或向右转向。轴线z在这里也称为“z轴线”。横杆手柄120增加了骑车者围绕轴线z施加转动的扭矩。在差速控制装置10的其他变型中，可以使用不同的机构以允许骑车者在不直接抓住联接器200的情况下操纵差速传动联接器200。应注意，如图示的变型中所示，延伸轴110可以是单独的元件，或者延伸轴的功能可以通过延伸骑车者接口部210的长度而被结合到传动联接器200中。单独的延伸轴允许设计人员为传动联接器和延伸轴选择不同的材料，并允许移除和重新安装延伸轴，以允许通过通常的脚倾斜方法或使用差速控制装置交替地控制悬停板式自平衡踏板车(hsbs)。单独的延伸轴还允许差速传动增大的悬停板式自平衡踏板车(hsbs)被更紧凑地存储或运输。

差速传动联接器200还包括传动联接器部220，传动联接器部220是传动联接器200的将联接器的运动传递到两个平台接口300的部分，其中左侧平台接口300l和右侧平台接口300r在大多数变型中是与脚踏平台的典型镜像设计相匹配的彼此的镜像。在所示的变型中，传动联接器部220包括圆柱形的主体218，圆柱形的主体218与延伸轴110同轴地设置并且设置在左平台接口300l和右平台接口300r之间。传动联接器部220还包括从圆柱形的主体218径向向外延伸的上传动附件230u和下传动附件230l。传动附件230通过平台接口300将差速传动联接器200的运动传递到脚踏平台20。

如图所示，差速传动联接器200设置在左平台接口和右平台接口之间，并且包括分别指向左脚踏平台和右脚踏平台的至少一个传动附件230。每个平台接口300具有一个或多个传动附件座330，传动附件座330设计成接合一个或多个传动附件230，使得差速传动联接器200的围绕平行于标称z轴线的轴线的转动运动被转换成围绕平行于脚踏平台的转动轴线的y轴线的脚踏平台转动。

如图3，4和5所示，在一个变型中，差速控制装置10被设计为售后附件，该售后附件可以连接到例如由多个制造商制造的悬停板式自平衡踏板车(hsbs)。在一个变型中，平台接口300包括夹紧机构，夹紧机构允许右平台接口和左平台接口被牢固地连接到适当的脚踏平台。例如，如图5的分解图所示，设计用于悬停板式自平衡踏板车(hsbs)的差速控制装置10具有平台接口300，每个平台接口具有带有两个基本上半圆形部分的夹具，所述悬停板式自平衡踏板车(hsbs)具有在其内侧边缘22处为圆柱形的脚踏平台20。上夹具部分310包括传动附件座330u，330l，并且是具有在其内侧边缘22处与脚踏平台的半径相匹配的弯曲的内表面312的大致弓形的半环。类似地，下夹具部分315是具有相同内半径表面317的弓形的半环。两个夹紧部分通过铰链318彼此连接。当打开时，两个夹紧部分可以围绕脚踏平台20的内部边缘22装配，之后两个夹紧部分围绕脚踏平台闭合并通过紧固机构锁定在一起。锁定机构可以例如是如图4所示的机械螺栓320。在一些实施例中，夹紧部分的内表面312，317衬有衬垫材料319，衬垫材料319既可以保护悬停板式自平衡踏板车(hsbs)的表面免受损坏，又可以增加夹紧部分和悬停板式自平衡踏板车(hsbs)之间的摩擦，减小保持平台接口不会在夹具部分内滑动所需的压缩力。

图6中所示的剖面侧视图示出了上夹具部分310的一种变型。上夹具部分310的功能是适当地定位一个或多个传动附件座330以接合传动附件230，以将差速传动联接器的运动传递到脚踏平台。如上所述，所示的变型包括两个传动附件座：上部附件座330u和下部附件座330l。应注意的是，一个座(在该示例中下部附件座330l)的横截面是圆形的，而另一个座(在这种情况下是上部附件座330u)的横截面通常是椭圆形的。当上夹具部分310围绕y轴线(显示为延伸进入图6的平面)转动时，该椭圆形状适应座330u的更大的(相对于座330l)圆周运动。或者，上座330u可以是圆形的并且下座330l可以是椭圆形的。如下面将讨论的，这种椭圆形状可以在速度控制中产生“死区”。

通过平台接口300从传动联接器200传递到脚踏平台的一个运动是传动联接器的z轴线转动，该转动被转换为脚踏平台的差速前后俯仰运动(即，绕y轴线的运动)。该俯仰运动被用于转向悬停板式自平衡踏板车(hsbs)。如上所述，是脚踏平台俯仰的差异使悬停板式自平衡踏板车(hsbs)转向，同时平均俯仰确定悬停板式自平衡踏板车(hsbs)的向前或向后的速度。图7a-7c中的截面图示出了如何将传动联接器200的z轴线转动转换成脚踏平台接口300r，300l的纯差速俯仰的一个实施例，其中“纯差速俯仰”意味着接口300r和300l俯仰等量但是相反的意义。图7b显示处于空档或非转动状态的装置，而图7a和7c分别示出了处于右转和左转状态的装置。

如图7b所示，在非转动状态下，下传动附件230l平行于y轴线对齐，推动平台接口300r，300l类似地对齐，即处于相等的俯仰角。在图7a中，传动联接器部220已经围绕z轴线转动，以将右侧传动附件设置在图7b的空档位置的后面(即，在负x位置处)，并且将左侧传动附件设置在图7b的空档位置的前面(正x位置)。因为平台接口连接到它们各自的附件，图7a示出了相应地偏移设置的接口300r和300l的相应特征。

图7中所示的实施例可以还包括整体转动限制。传动联接器部220设计成装配在由平台接口中的一对开放区域形成的袋中。在图7的剖视图中，该袋的边缘可见为前缘340和后缘342。当悬停板式自平衡踏板车(hsbs)处于非转动状态时，如图7b所示，前缘340和后缘342都不与传动联接器部220接触。当骑车者开始转弯时，袋的两个半部变得彼此偏移设置，使得袋的一半的前缘和袋的另一半的后缘开始朝向传动联接器部220移动。在袋的两个边缘到达接口部分220时，实现了设计所允许的最小转弯半径。如用于左手转弯的图7c所示，当左平台接口300l中的袋的前缘340接触传动联接器部220时，实现最小转弯半径。通过对称，右平台接口300r中的袋的后缘同时接触传动联接器部220。

在所示的变型中，从传动联接器200通过平台接口300传递到脚踏平台的另一运动是传动联接器200围绕y轴线的转动，以实现速度矢量(即，速度和方向)控制。传动联接器200围绕y轴线的转动通常通过使骑车者接口控制机构100的顶部(即延伸轴110的顶部)从其空档位置向前或向后偏移设置来实现。该运动被转换为两个脚踏平台的同时向前或向后俯仰运动(即，围绕y轴线的运动)，驱动悬停板式自平衡踏板车(hsbs)向前或向后。向前/向后延伸轴110运动到平台接口300的成功传递需要在x-z平面中的在轴110和接口300之间的基本上刚性的连接。在上述实施例中，通过将第二传动附件(在该变型中是上传动附件230u)和上传动附件座330u结合到设备的每一侧来提供该基本上刚性的连接。机械领域的普通技术人员将清楚，传动联接器200通过在该平面中彼此线性偏移设置的一对附件/附件座被约束在x-z平面中。

如上所述，如图6所示，上传动附件座330u是椭圆形的，而不像下传动附件座330l那样是圆形的。在该变型中，当上夹具部分310围绕y轴线转动时，上座被拉长成大致椭圆形状以考虑由上座330u行进与下座330l相比更大的周向距离。应当注意，在该变型中，当在空档转向位置时，传动联接器200和通过延伸骑车者接口控制机构100，可以向前或向后摆动几度而不会对两个脚踏平台施加任何倾斜变化。

上面讨论的差速控制装置10被配置为是可以由终端消费者安装的用于悬停板式自平衡踏板车(hsbs)的售后配件。例如，消费者可以例如将左平台接口300l夹在左脚踏平台20上，通过将任一组传动附件230插入在左平台接口中的附件座中来连接差速传动器联接器200，并且然后通过将右平台接口300r安装在突出的第二组传动附件230上并且围绕右脚踏平台20r紧固夹紧机构来锁定传动联接器200就位。通过将控制延伸轴110插入骑车者接口部210并拧紧一个或多个锁定螺钉212来完成安装。移除装置10仅涉及反转这些步骤，使悬停板式自平衡踏板车(hsbs)处于其初始状态。

在另一个变型中，差速控制装置10可以通过制造商被配置为悬停板式自平衡踏板车(hsbs)的整体的部件。如图8a和分解视图8b所示，差速控制装置10的整体变化形式包括直接构建到脚踏平台20中的平台接口300。在整体的差速控制装置10中使用的差速传动联接器200在所有方面都等同于上面讨论的差速传动联接器。例如，在图8b所示的变型中，传动联接器200包括圆柱形的主体218，圆柱形的主体218连接有两组传动附件230和延伸轴110插入其中的骑车者接口部210。代替由上夹具部分310和下夹具部分315夹紧就位，平台接口300直接模制到脚踏平台20中。上夹具部分的功能由向上指向的模制凸起提供，该凸起具有必要的传动附件座330以匹配传动附件230。

在传动联接器200的一个变型中，传动附件被浇铸就位或以其他方式永久地连接到圆柱形的主体218。这种变型提供了一种坚固的装置，非常适合于承受当脚踏平台20承载骑车者的重量时倾斜脚踏平台20所需的力。然而，在不分离平台接口或通过包括一些可移动或可移除部分以允许传动附件通常沿向上(z轴线)方向脱离驱动器附件座来修改(并且因而复杂化)平台接口的情况下，具有永久地就位的传动附件的传动联接器不能容易地从两个平台接口300之间移除。

传动联接器200的另一种变型提供了一种替代装置，以允许传动联接器从平台接口之间移除。如放大附图9所示，圆柱形的主体218可包括螺纹连接点231，螺纹连接点设计成接纳螺纹传动附件230。螺纹传动附件的球形端部适于允许传动附件通过例如结合用于凿刀螺丝刀的槽或与标准内六角扳手尺寸匹配的六角形孔而螺纹拧进或移出连接点231。

如果平台接口包括为球形端部通过提供间隙的附件座，则可以从如图8所示的固定平台接口之间移除这种变型的传动联接器200。例如，如图7b所示，传动附件230u被螺纹拧进圆柱形的主体218中，而传动附件230u的球形头部设置在附件座330u中。如图所示，附件230u可以从主体218上拧下并且将无阻碍地通过座330u。

图10示出了差速传动联接器和脚踏平台接口的替代实施例，其使用匹配的斜齿轮来实现差速功能。也就是说，顺时针转动联接器200引起左脚踏平台向下转动和右脚踏平台向上转动，将悬停板式自平衡踏板车(hsbs)转向“右”或顺时针，如应被预期的那样并且推动联接器200向前和向后引起两个脚踏平台适当地向下或向上转动。如图所示，该实施例包括安装在传动联接器部220的端部处的锥齿轮250和固定到左脚踏平台20和右脚踏平台20的两个斜齿轮350，其中斜齿轮功能为平台接口300的至少一部分。注意该实施例要求联接器垂直稳定的措施以保持联接器(和延伸轴110)不在x-z平面中转动不受约束的转动，该转动被用于控制悬停板式自平衡踏板车(hsbs)的速度矢量。

在斜齿轮差速传动联接器的一些变型中，通过将一对传动附件230u添加到联接器200来提供垂直稳定，所述联接器200沿着z轴线从斜齿轮250偏移设置，以及在平台接口300的延伸部分上的一组匹配的附件座330u，其中“u”或“上”标记已经被保留以指示附件和附件座在正z方向上从锥齿轮350偏移设置。

如上面关于图5和6所讨论的那样并且关于图10中的变型注意到，传动联接器200的垂直稳定可以使用在z方向上在传动联接器200和平台接口300之间从主差速传动连接偏移设置的一组传动附件和附件座来实现。如上所述，该讨论中公开的变型使用基本上椭圆形的附件座以避免过度约束第二传动附件的运动。椭圆形附件座的确产生小的控制“死区”，其中延伸轴110可以向前和向后移动而不影响悬停板式自平衡踏板车(hsbs)的速度矢量。在某些情况下，这种死区可能是不合需要的，在这种情况下可以使用替代的稳定变化。例如，如图11所示，稳定衬套245可以安装在圆柱形的主体218上，以仅在前后方向上相对于平台接口300约束传动联接器200。

稳定衬套245包括围绕圆柱形的主体218的环形空间和一对稳定附件240，所述一对稳定附件240可以与传动附件230基本相同，或者可以是如图所示的从衬套245径向延伸的简单杆。将稳定附件240插入匹配的附件座331u中，其设计将遵循其使用。例如，如图11所示，当附件240是大致杆时，附件座位331u是受压锥形孔，其中孔在上夹持部分310的向内面和上夹持部分310的外表面之间向外逐渐变细。如图11所示，衬套245沿z轴线不受约束。在一些变型中，希望使用该衬套来限制骑车者接口控制机构100的z轴线运动，即，将控制机构保持在适当位置。在这种变型中，保持卡环可以安装在圆柱形的主体218周围，直接在衬套245的标称位置下方，从而限制传动联接器200向上拉动并远离平台接口。

应注意，圆柱形的主体218在图11中被截去；圆柱形的主体218的延伸部分可以具有例如锥齿轮250或连接的另一对传动附件230。类似地，上夹具部分310示出为具有仅仅一组附件座以集中于所示的稳定功能。

图12示出了稳定衬套变型的另一个实施例。在该变型中，传动附件230连接到附件杯235，附件杯235在转动中通过滚销222锁定到圆柱形的主体218，并且通过螺钉236保持连接到圆柱形的主体218。稳定附件240固定到衬套245，衬套245自由浮动在主体218上。上部和下部附件座330现在都可以是圆形的(即，与钻孔相同地制造)，因为上部和下部附件座之间的任何差速运动都通过不受约束的稳定衬套调节，如下所述。

值得注意的是，附件在其弧线中围绕z轴线行进的一个效果是附件移入和移出附件座的x-z平面；通过使附件座简单钻圆柱孔，可以轻松适应这种运动。类似地，附件座的在其弧线中围绕y轴线行进的效果是座在x-z平面中上下少量移动。当只有一组附件时，可以忽略这种运动，因为一组附件与它们所附着的圆柱体一起可以与附件座“上下”移动，即朝向和远离y轴线移动，消除任何约束力。此外，骑车者接口控制机构在转向悬停板式自平衡踏板车(hsbs)期间行进的上下距离可以容易地被计算为太小而不能被骑车者在他或她扭转骑车者接口控制机构100时感觉到。

另一方面，当使用两组附件时，如同在图12和图13的变型中那样，上附件座330u和下附件座330l之间的上下差速可导致附件结合在附件座中，除非提供一些额外的补救，如下所述。

图13示出了使用第二组附件来稳定骑车者接口控制机构的另一种变型的横截面图。在该变型中，消除了如图12所示的稳定衬套和附件杯的额外制造复杂性。机械工程分析表明，当它们围绕z轴线在半径ru和rl处转动时，上下部附件越过的切向距离与上下部附件的各自的上下附件座的分别在径向高度cu和cl处围绕z轴线转动时所越过的切向距离成比例。也就是说，如果满足如下条件：

在上下附件和上下附件座的x-y平面中的行进轨迹将基本相同。由于附件围绕z轴线在弧线中行进而附件座围绕y轴线在弧线中行进而产生的在这些行进的轨迹中的小差异如上所述被补偿，用于单个附件进出x-z平面的运动。从基本几何学可以清楚地看出，附件座的差异“上和下”运动δz是：

(cu-cl)*(1-cos(θ))，

其中θ是脚踏平台的转动角度。如果两个附件座都被加工成与其各自附件紧密配合，则这种少量的差异运动将足以结合附件。为了避免这个问题，如图13所示，在一个变型中，下附件座330l可以用紧密制造公差345与下附件230l的半径的相匹配；容差.0005″最小到.0045″最大径向间隙，以消除上下方向上任何感觉到的“松垮”感觉，而上部附件座330u具有足够的间隙350以用在公差345级别的一些额外制造公差调节δz。

在一个替代方案中，平台接口可以螺纹拧进脚踏平台的顶部表面而不是被夹紧，或者骑车者接口控制机构可以位于脚踏平台的外侧边缘并且通过在脚下运行的平行四边形连杆连接到中央传动联接器部。

提供上述装置和系统作为构件的细节和部件的布置的非限制性示例。可以存在能够具有其他实施例并且以各种方式实践或执行的设备、系统和方法的变型。例如，平台接口300可以螺纹拧进脚踏平台20的顶部表面，而不是围绕平台夹紧。此外，例如，骑车者接口控制机构200可以连接在脚踏平台的外侧边缘，并通过在脚下运行的平行四边形连杆连接到中央传动联接器部220。此外，这里使用的措辞和术语是为了描述和不应该被视为限制。本文中“包括”，“包含”，“具有”，“含有”，“涉及”及其变化形式的使用旨在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加项目。