电动自平衡单轮车的制作方法
【专利说明】电动自平衡单轮车
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2012年8月22日提交的美国临时专利申请序列号61/692，131、2012年10月4日提交的美国临时专利申请序列号61/709，924、2013年4月30日提交的美国临时专利申请序列号61/817,817和2013年8月7日提交的美国临时专利申请序列号61/863，064的优先权，这些美国临时专利申请的全部内容由此通过引用以其整体并入本文用于所有目的。
[0003]介绍
[0004]在遍及全世界的现代社会中，正需要新形式的运输工具。在设计用于运输的交通工具中的一个挑战包括平衡能量效率、良好可用性和用户喜好。
[0005]附图简述
[0006]图1是示出某些主要部件之间的关系的动力单轮车(unicycle)的实施例的方框图。
[0007]图2是电动自平衡单轮车的实施例的等距视图。
[0008]图3是图1的动力单轮车的侧视图。
[0009]图4是适合于在动力单轮车上使用的车轮的实施例的等距视图。
[0010]图5是沿线5-5截取的图4的车轮的截面图。
[0011]图6是适合于在动力单轮车上使用的座椅部分的实施例的等距视图。
[0012]图7是图2的动力单轮车的框架部分的侧视图。
[0013]图8是图7的框架部分的俯视图，示出图9的机构的实施方式。
[0014]图9是说明性的四连杆机构的示意图。
[0015]图10是电动驱动系统的实施例的等距视图。
[0016]图11是从相反侧看到的图10的驱动系统的等距视图。
[0017]图12是图10的驱动系统的所选择的驱动部件的等距视图。
[0018]图13是图2的动力单轮车的一部分的后平面图，示出了叉状物、驱动壳体、轮毂板和脚踏件之间的连接。
[0019]图14是安装在无轮毂车轮中的驱动系统的另一个实施例的侧视图。
[0020]图15是图14的驱动系统的一部分的侧视图，示出了驱动链轮和环形齿轮之间的交互。
[0021]图16是无轮毂驱动系统的另一个实施例的端截面图。
[0022]图17是具有固定到其上的轮床的动力单轮车的实施例的等距视图。
[0023]详细描述
[0024]在本公开中描述和说明了电动自平衡单轮车。通常，电动自平衡单轮车可包括连接到框架的单个车轮组件，所述框架为骑车人支撑座椅和手柄杆。在一些示例中，单轮车相对于与车轮的旋转轴线平行的轴线可以是自平衡的。术语“自行车”、“车”、“单轮车”和“交通工具”都可在本文中可互换地使用，以指示根据本公开构造的一轮式交通工具。电动单轮车装置和系统在美国专利公开号2012/0217072中被描述，该美国专利由此通过引用以其整体并入本文用于所有目的。
[0025]除非另外指明，根据本公开的动力单轮车和/或其各种部件可以包含但不要求包含本文描述、说明和/或并入的结构、部件、功能和/或变化中的至少一个。此外，本文描述、说明和/或并入的与单轮车有关的结构、部件、功能和/或变化可被包括在但不要求包括在其他类似设备中。
[0026]图1示出根据本公开构造的动力单轮车10的某些主要部件的示意图。单轮车10可包括任何合适的单车轮交通工具，所述单车轮交通工具构造有被容纳在车轮中的驱动系统和控制驱动系统的多输入、自动平衡控制系统。在所述的示例中，单轮车10可包括由一个或多个马达14驱动的车轮组件12，所述一个或多个马达14进而由接收一个或多个输入18的控制器16控制。
[0027]车轮组件12可包括经构造将驱动系统基本容纳在车轮内的任何合适的单车轮结构。此类车轮组件的示例在下面进一步详细描述。马达或多个马达14可包括任何合适的马达和/或经构造使车轮组件12的车轮旋转的其他原动机。例如，马达14可包括电池供电的电马达，所述电池供电的电马达可操作地连接到车轮组件12使得马达的旋转引起车轮的旋转。齿轮传动系统和定时系统和类似物可被包括在驱动系统中，以有助于由马达14驱动车轮。这些系统也在下面进一步详细描述。
[0028]控制器16可包括任何合适的电子控制器，所述电子控制器经构造基于某些输入18的状态自动地调整车轮的速度和/或方向。在图1中所示的示例中，这些输入18可包括姿态输入20、倾斜调整输入22和/或制动输入24。在一些示例中，控制器16可包括一个或多个合适的互连电子电路、存储器存储单元、马达控制器和/或经构造执行软件和/或固件指令来控制马达14的控制芯片。
[0029]姿态输入20可包括经构造对应于交通工具10的物理取向的任何合适的输入。输入20可由姿态传感系统26提供。姿态传感系统26可包括经构造确定交通工具10相对于地球的中心在空间中的取向的任何合适的传感器和/或设备。例如，姿态传感系统26可包括用于确定俯仰(pitch)、摇摆(roll)和/或偏转(yaw)的一个或多个传感器28。在这些示例中，术语俯仰、摇摆和偏转以它们的标准含义使用。因此，俯仰可被定义为绕着与车轮的旋转轴线平行的轴线(可互换地称为“Y”轴线)枢转。俯仰也可描述为向上和向下倾斜交通工具的车头(nose)。摇摆可被定义为绕着与交通工具的行驶方向平行的轴线(可互换地称为“X”轴线)枢转。摇摆也可描述为左右倾斜交通工具。偏转可被定义为绕着与穿过车轮中心的垂直轴线平行的轴线(可互换地称为“Z”轴线)枢转。偏转也可描述为如当改变行驶的前进方向或方向时左右旋转车轮。
[0030]在一些示例中，传感器28可包括一个或多个倾斜计、加速计和/或陀螺仪。例如，摇摆类型的传感器28可包括加速计，该加速计与陀螺仪组合来形成经构造传感摇摆取向的倾斜计。传感器28可固定到交通工具10。在一些示例中，传感器28可与控制器16并置排列如在共同电路板上或在共同外壳内。在一些示例中，传感器28可位于交通工具的重心的附近，如车轮组件12内。如与距重心更远的位置相比，此位置可提高传感器关于交通工具的实际取向的准确性。
[0031]控制器16可经构造通过自动地调整马达14响应姿态输入20来减少所测得的取向和所期望的取向之间的差异。例如，所测得的俯仰或所传感的俯仰可以与所期望的俯仰取向比较。如果实际俯仰不同于所期望的俯仰，控制器可增加或减小马达14的速度，以减少该差异。所期望的俯仰可称为“零俯仰设定点”或“零设定点”。
[0032]在一些示例中，零俯仰设定点可基本上等于距垂直面零度的俯仰，所述垂直面可对应于垂直的和/或平衡的单轮车。在这些示例中，如果自行车向前倾倒，则传感器28将检测指示自行车车头从水平面向下倾倒的俯仰，并且将该俯仰传给控制器。控制器将比较所传感的俯仰与零设定点，并且将确定在向前方向上存在差异。在一些示例中，此差异可以是正的，而在向后倾倒的方向上的差异可以是负的。
[0033]然后控制器将采取行动，以减少所传感的俯仰和所期望的俯仰之间的正差别或增量(delta)。在此示例中，控制器可增加马达14的速度，以驱动车轮向前并减少自行车的向前俯仰。随着此行动生效和所传感的差异接近零，控制器可引起马达加速以趋于平稳，并且可以以新的较高速度达到新的平衡。类似地，确定存在负增量可引起马达速度减小或可引起马达方向变化。因此，用户(可互换地称为“骑车人”或“操作者”)可通过向前倾或向后倾来转移重量分布和由此倾斜交通工具，以控制单轮车10的速度，从而引起所传感的俯仰从零设定点变化并引起控制器如上所讨论进行补偿。
[0034]除了俯仰类型的传感器提供输入来允许控制器补偿来自所期望的俯仰的变化以夕卜，其他传感器输入可由控制器接收来执行各种其他功能。例如，摇摆传感器输入可以和预期范围的摇摆取向比较，以确定交通工具是否已经翻倒。在此示例中，控制器可被构造为当此类条件被传感到时，切断供交通工具的电力，或切断供诸如驱动系统的所选择的子系统的电力。
[0035]在一些示例中，当存在某些条件时，如当转动交通工具产生显著的离心力时，俯仰传感器可提供偏斜信息。在此条件下，偏斜的俯仰传感器可向控制器发送错误信息，导致控制器不正确地断定需要俯仰校正。本发明人已经确定控制器可使用来自摇摆传感器的输入来补偿这种先前想不到的偏斜条件。当单轮车10转弯时，车轮必定在X轴线上倾斜，从而产生指示转弯可能正在进行的摇摆值。此信息可用于补偿所得的偏斜俯仰输入，例如通过以预定或计算的量偏移所传感的俯仰值。
[0036]控制器16可从诸如倾斜调整控件30的第一用户输入装置接收倾斜调整输入22。倾斜调整控件30可包括任何合适的机械或虚拟用户接口装置，其经构造允许用户向控制器16传送所期望的倾斜调整量。例如，倾斜调整控件30可包括拨盘(dial)、开关、按钮、控制杆(lever)和/或键盘。这些用户输入装置中的任何一个可如在安装在单轮车10上或以其他方式与单轮车10相关联的屏幕或其他显示器上的图形用户接口(GUI)的情况下机械地或虚拟地实现。在一些示例中，用户输入装置可包括能够语音识别的语音用户接口，用户可通过所述语音用户接口向控制器提供语音命令。
[0037]不管用户输入装置的类型，输入30可用于以与所述输入对应的量偏移零俯仰设定点。例如，用户可按下第一按钮，以向控制器传送所述零设定点应该在正方向上以一度偏移。在此示例中，用户可按下第二按钮，以在负方向上传送一度的偏移。在其他示例中，用户可通过转动连续或离散的拨盘，在键盘上输入数字等来传送所期望的偏移。作为响应，控制器16可以以所期望的量或以对应的量偏移零设定点。
[0038]例如，如果用户指示“三度向前”偏移，则零设定点可调整到垂直面的向前三度，并且然后当控制马达14时，控制器将使用新的零设定点来与实际俯仰比较。在此示例中，控制器将尝试保持单轮车处于三度角，而不是原来的距垂直面零度。以这种方式使用倾斜调整控件，用户可实时调整所期望的自行车的倾斜角。这可以是期望的，例如补偿骑车人的体型、在自行车上的重量分布、用户舒适度和/或支撑表面倾斜和下降。
[0039]偏移量可通过使用静态变量在软件或固件中实现，使得所期望的偏移量保持处于由用户传送的值，直到用户如经由倾斜调整控件30提供不同的输入。此外，此偏移量的值可存储在非易失性存储器中，使得零设定点以相同的量偏移，即使供控制器的电力循环。在一些示例中，通过使用硬件实施方式可实现类似的结果，如通过以保持在设定位置中直到用户设定不同位置的拨盘形式提供倾斜调整控件30。在一些示例中，可提供所存储的用户配置文件，并且每个用户配置文件可具有其自身的自定义偏移值。在这些示例中，用户可选择所建立的配置文件之一并且零设定点可进行相应地调整。
[0040]控制器16可从诸如制动控件32的第二用户输入装置接收制动输入24。制动控件32可包括任何合适的机械或虚拟用户接口装置，其经构造允许用户向控制器16传送所期望的制动量。例如，制动控件32可包括自行车和摩托车制动系统中典型的手操作控制杆，但亦或替代地可包括诸如拨盘、开关、按钮和/或键盘的一个或多个控件。如