撑杆推进的脚踏车的制作方法
【专利说明】撑杆推进的脚踏车
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年3月15日提交的美国临时申请N0.61/792，921的权益，该临时申请的公开内容一包括所有附图、表格和图表一整体并入于此作为参考。
[0003]与联邦资助的研究或开发有关声明
[0004]不适用。
[0005]合作研究协议的团体名称
[0006]不适用。
[0007]在光盘上递交或作为经由专利局电子提交系统(EFS-WEB)提交的文本的材料的引用合并
[0008]不适用。
[0009]与发明人或合作发明人的在先公开有关的声明
[0010]不适用。
技术领域
[0011]本发明涉及一种脚踏车(脚蹬两轮车)一定义为由骑乘者推进的轻型轮式车辆，该脚踏车与用以推进它的一对手握式撑杆结合。该车辆仅具有彼此前后对齐的两个车轮，在本文中称作两轮串置车辆。自行车(bicycle，两轮对称的自行车)和滑板车是看上去截然不同的两轮串置车辆的例子，然而两者都具有普遍被认为包括车把的基本“两轮车”构型。在本发明中，骑乘者的手完全与撑杆接合，并且根本不与车辆接触；因此出乎意料地，该车辆是不带车把的两轮车。另一方面，过去已提出撑杆作为轻型轮式车辆中的推进装置。
【背景技术】
[0012]通常与滑雪板一起使用的撑杆还用于已增设车轮以在硬表面上通行的滑雪板的平衡和推进(美国专利2，545，543和3，389，922)。向溜冰鞋的使用者提供撑杆以用于控制、平衡和推进(例如见W0932588和US 5,601, 299)。允许使用者站立、坐下或跪坐的轮式车辆可由撑杆推进。像桨一样使用的撑杆可推进这种车辆(美国专利1，313，157、I，425，220、I, 619，668和2，216，982)。也可使用单个(美国专利I, 052，722和2，005，910)或多个(美国专利3，310，319和5，098，087)撑杆，所述撑杆独立于车辆对滑行的车辆进行推进和制动。虽然这些装置中的一些装置被设计成辅助截瘫患者，但大部分目标装置旨在供休闲和娱乐使用。
[0013]Hwang在美国专利5，125,687中描述了一种用于道路滑雪的滑板。该滑板具有沿板的纵向线的后轮、前脚轮和用于稳定平台的辅助辊。使用者可站或坐在平台上。撑杆用于改变板的方向。Chern在美国专利4，863，182中将冰鞋附接在独轮车上以形成可通过蹬踏而被传统地用作独轮车或用作带有撑杆的雪地或草地滑板车的运动设备。采用各种构型而包括两个、三个、四个和更多个车轮的各种车辆已被设计成与撑杆联用，然而，它们之中并未出现两轮串置车辆。
[0014]尽管有撑杆且无车把，但本发明依然必须符合所有两轮车共有的那些相同结构要求，即使得人们可以在道路上的由仅两个车轮支承的移动框架上保持平衡。使两轮串置车辆转向是骑乘者用以维持他们在车辆上的平衡的主动过程的一部分。而且，因此，利用骑乘者的上肢控制转向轮的重要功能一其与该过程高度一体化一现在必须通过另一种方法完成，本发明通过以下方案来实现该方法:骑乘者身体的下半部分用于履行上半身通常利用车把完成的那些功能，也就是使骑乘者在车辆上稳定并使其前轮转向；因此上半身能自由地用来推进车辆，这是通常由下半身完成的工作。
[0015]尽管两轮车的脱手转向可能被认为在理论上是可能的，但这种手段或方法迄今为止尚未被证实是可行的。Barachet's (美国专利5, 160, 155)提出了 “Skateboard HavingTwo Wheels in Tandem”，其中它的安装了脚轮(其中车轮与道路的接触点在转向轴线的后方)的前轮可以是这样一种尝试。Bryant在美国专利6，488，295也提出了一种可改造两轮车以使它能被脱手操作的方式。其他专家(本领域的技术人员)可提出他们的观点一但未发现哪种观点宣布这不可能一不过，发明人可以断定，迄今为止尚未成功地证实这一点。
[0016]1896年，研发出现代自行车约二十年左右后，自行车&三轮车在英格兰公开并且变成自行车的设计中最权威的参考来源。创始人Archibald Sharp分析了自行车设计的每个方面，包括在不保持车把的情况下骑乘自行车的现象。被视为该时期的一种写作特性的用词精简会使Sharp对“Steering Without Hands”的说明难以理解。然而，看来对与本发明有关的两轮串置车辆的了解和理解从那时起并未进步。
[0017]Sharp提供了四页带图表和公式的分析，其考虑了不利用手使自行车转向所涉及的因素。Sharp假设骑乘者可在不触碰车把的情况下维持平衡，在转向轴线处提供的转矩保持平衡；且因此作用在前轮和框架上的力一其可趋于使它绕转向轴线转动一必须由骑乘者控制。Sharp认识到两种这样的力只要车辆倾斜就会导致趋于引起前轮的位置偏离其中间位置(前轮和后轮朝向相同的方向)的绕转向轴线的各种力矩。一种力矩归因于车轮与道路的接触点偏离包含车轮的接触点和转向轴线的平面。与该“第一力矩”相关的力是前轮上承载的重量的反应。
[0018]“第二力矩”归因于绕转向轴线自身枢转的重量的质心偏离转向轴线。与所述第二力矩相关的力由该质量上的地心引力产生，所述质量包含前轮、叉和附接在其上的任何其它物体例如像车把的重量。这两种力矩趋于作用在相同的方向上。与其它两个力矩对向或抵消它们的“第三力矩”由前轮与道路的接触点处的向心力产生，并且是对车辆在其被骑行时的转向运动的反应。这样产生的向心力与行驶方向成直角；且因此在任何特定时刻，该力沿着转弯半径并且在指向弯道中心的方向上。
[0019]Sharp针对考虑了上述那些因素的三个力矩中的每个力矩推导解析式。按照Sharp的说法:“为维持平衡，针对三种力矩的解析式的总和应当具有零值，以进一步向一侧转向，否则它应当具有小的正值，而为了更直接地转向，它应当具有小的负值。” Sharp随后指出:“对于给定的速度和转向角的值，存在一个由骑乘者控制要素，即后框架的倾斜度。但即使对于有经验的骑乘者而言，以上力矩可能过快地变化，以致他无法足够快地调节倾斜度以保持平衡。”显然，Sharp几乎无法确定他的该部分分析中哪些因素说明了在不利用车把的情况下骑乘自行车的可行性。
[0020]19世纪90年代是自行车设计的黄金时代。Sharp和少数几位其他在这个时代被盛赞的自行车专家一最著名的是当时与Sharp齐名的法国人M.Bourlet—花费了大量精力以试图说明两轮串置车辆的秘诀。在“脱手”现象方面从未达成过一致。而且，在接下来的一个世纪，自行车的基本设计的任何改进或理解的进步即使有也很小。1977年，麻省理工学院出版社再版了 Sharp的论文，在序言中，该校的机械工程学教授说该“权威著作...著名，并且有助于引起机械工程学的兴奋期的结束...并且几乎是与自行车设计有关的最后一本书和定论。”
[0021]在当代，本领域技术人员依然支持早期的主流观点。在美国专利6，488，295中，Bryant声明:“特别熟练的骑乘者可在不把住车把的情况下维持直线行驶的传统自行车的稳定、动态的平衡。在此类情况下，他们甚至能仅通过将他们的身体偏向一边并使车辆倾斜来使他们的自行车转弯。然而，细微的瞬时干扰，例如与在不平整或崎岖的路面上骑乘相关的干扰，或骑乘者需要改变速度或转弯方向，迅速使车辆变得不稳定”。Bryant断言:“对于任何给定的两轮车辆而言，对于一定地形一在该地形中骑乘者仅仅使车辆在一个或另一个方向上倾斜的能力足以修正在车辆运行期间出现的动态不稳定一存在速度和转弯半径的可控允许包络线”，但由于“包络线比期望小得多...传统两轮车辆是手转向的”。Bryant认为他知道修正该状态并由此消除对车把的需求的方式。
[0022]Bryant的明显启示:“两轮车辆稳定性的一个以前未认识到但主要的因素是，当转向轮一其沿转向轴线枢转地固定在车辆上一转动时，与转向轮的接触点相关的不稳定力与车辆平面间隔得太远，所述车辆平面定义为包含后轮的接触点和转向轴线的平面”，当然是Sharp意识到并在如本文中引用的他的1896年论文中提出的同一种力，并且该力是上述“第一力矩”的诱因。与他之前的Sharp相似，Bryant意识到该“主要因素”会产生绕转向轴线的转矩。然而，Bryant并未认识到也会导致绕转向轴线的转矩的Sharp的“第二力矩”。
[0023]总体上，Bryant未尝试提高自行车的脱手操纵能力。Bryant的目标是取给定的两轮车辆并通过加入“动态控制调节器”使其在“运行包络线”内稳定和可控并且消除车把的必要性，所述动态控制调节器可通过机械手段根据车辆的倾斜和转向角度来改变车辆的几何结构。Bryant提出了多种用于这种车辆的设计，其中“骑乘者以与冲浪板、滑雪板或滑冰板的使用者相同的方式站在大致平坦的站立表面上”并以相同的脱手方式通过使他们的身体偏向一边来转向。
[0024]有趣的是，在他对现有技术的讨论中，Bryant引用了 1995年第二版的《BicyclingScience》一其中，同样，David Wilson帮助将Sharp的1896版的书再版，并且在他的书中推断:“自行车的平衡和转向是一个极为复杂的主题，其中经验居多且科学的成分相当小”，这是“利用两轮车辆的常规分析发现的局限性的另一个示例”。Archibald Sharp, CarloBourlet、David Wilson和Robert Bryant全都可被认为是两轮串置车辆的转向和稳定性方面的专家，然而他们并未在该主题上达成一致。尽管许多自行车的工程和设计方面的专家已研究和分析了转向和平衡的主题，但据知事实上，长期以来，无人在制造不利用车把操作的可骑两轮串置车辆方面取得成功。
[0025]在他的《Bicycling Science》第三版中，Wilson评论了为何他决定让JimPapadopoulos撰写与转向和平衡有关的章节一 “与我对第二版撰写的主题有关的章节...在书中最不令人满意” 一Wilson评价，多年来他“通过将初稿送给专家审阅发现，专家似乎在该主题上没有达成一致”。作为“麻省理工学院的具有机械工程博士学位的毕业生，毕生致力于自行车和骑车的科学和工程知识的改进的一个人”，Papadopoulos在该章节的序言中写道:“遗憾的是，声称描述自行车运动和自动稳定性的算法深奥并且尚未在实验中经过验证，因此设计导向依然主要凭经验”。在该章节末尾，Papadopoulos引用了 37份文献一包括Sharp和100多年前的三名其他专家的文献一来支持该发现。
[0026]本文中谈及或引用的所有专利、专利申请、临时专利申请和出版物以它们不会与本说明书的教导不一致的程度通过引用全文并入。
【发明内容】
[0027]本发明涉及一种脚踏车一定义为由骑乘者推进的轻型轮式车辆，该脚踏车与用以推进它的一对手握式撑杆结合。车辆的前部件和后部件限定出一纵向轴线。前轮和后轮分别安装在前部件和后部件上，并且沿纵向轴线对齐。前部件绕与该纵向轴线相交而限定出一平面的大致竖直的转向轴线旋转。后部件位于该平面上并沿转向轴线与前部件接合。鞍座连接到车辆的后部件。脚蹬可位于前部件或后部件上。脚蹬和鞍座将骑乘者支承在大致直立的位置，骑乘者用手抓住撑杆面向前方，同时平衡跨坐在被支承于两个车轮的轮轴上的运动部件上。
【附图说明】
[0028]图1是本发明的车辆的一个优选实施例的侧视图。
[0029]图2是图1所示的车辆的优选实施例的正视图。
[0030]图3是图1和2所示的本发明的车辆的优选实施例的侧视图，其中搭载在车辆上的骑乘者用阴影线示出。
[0031]图4是本发明的车辆的另一个优选实施例的侧视图。
[0032]图5是图4所示的车辆的优选实施例的环境图，示出了坐在车辆上的带着撑杆的骑乘者。
[0033]图6是本发明的车辆的另一个优选实施例的侧视图。
[0034]图7是本发明的车辆上的制动器致动器的一个优选实施例的局部侧视图。
【具体实施方式】
[0035]概念
[0036]尽管撑杆驱动的脚踏车(cycle，自行车)不能被视为合适的交通工具，但这种看似简单的概念可产生既有趣又健康的完全独一无二的休闲骑乘。与自行车相似，它提供很好的户外锻炼，但不是使腿部肌肉发达，而是使上半身强壮，尤其是强壮的手臂和肩膀。它允许骑乘者使用和体验他们的平衡感，并且提高他们的协调能力。骑乘者可在任意时间停止而不下车；并且与其它用于休闲活动的装置一包括滑雪板、滑冰板、滑板、自行车和滑板车一不一样，骑乘者可保持舒适地就座，并且如果因此倾斜的话在长时间进行手机通话时休息。它同样是轻量的，并且可容易地