CN102514663B - 自平衡式两轮电动车 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种新型的自平衡式的两轮电动车，其特点是设有两个轮子彼此基本对称地排列在骑车人的左右两边，每个轮子都独立地带有自平衡电子控制系统与动力驱动系统，踏脚板设置在两个轮子的轮架上，骑车人是站立在踏脚板上操控车辆的运动。电子自平衡控制系统根据轮架的位置变化，来操控两轮电动车的前进、后退与转向。没有设置手控杆的两轮电动车是操作者用腿改变轮架的位置，来操控两轮电动车的前进、后退与转向。设置手控杆的两轮电动车是用手控杆改变轮架的位置，来操控两轮电动车的前进、后退与转向。

Description

自平衡式两轮电动车

技术领域

本发明提出了一种自平衡式的两轮电动车，两个轮子彼此基本对称地排列在骑车人的左右两边，每个轮子都独立地带有自平衡电子控制系统与动力驱动系统，踏脚板设置在两个轮子的轮架上，骑车人是站立在踏脚板上操控车辆的运动。确切地说，这是一种站立式的、由骑车人操控的、自平衡式电动两轮车。

背景技术

当前世界上最有名的一种自平衡电动车的技术实例，是由Kamen等人的专利(U.S.Patent No.6,302,230B1，Oct.16，2001)所揭示的。Kamen的专利总结了当时自平衡两轮电动车的背景技术，揭示了它们动力驱动与电子控制平衡的相关技术。Kamen专利所揭示的自平衡两轮电动车，它有相对平行排列的两个轮子，两个轮子之间(或之上)设有一个供骑车人(操作者)站立的平台；它是单轴双轮的设计，有一根共同的驱轴将两个轮子相连；它还设置了一个操纵用的手把杆，用来改善骑车人站立的稳定性，以及控制车子行进的方向。这种自平衡两轮电动车，于2002年开始生产并投入市场，该两轮车的商品，名叫“赛格威”(Segway)。这种两轮车在多个国家、多个方面都已得到了应用，不啻为一种有效的中、短距离的运输工具。

赛格威车的自重约有40公斤，比较笨重，价格也比较昂贵。这些缺点妨碍了它的进一步推广应用。某些用户希望使用较轻便的两轮电动车，要求拆装方便，具有较大的可携带性。还要求降低成本，满足更大范围市场的需要。

另外，我们成功研制出了一种极其轻便的自平衡独轮电动车，并已公开了它的技术特征与技术方案(CN102275621A，20111214)。该独轮电动车的最大速度约为15公里/小时，自重约13公斤。骑行时，操作者的两只脚分别站立两只踏脚板上，踏脚板是固定在轮架上的，设置在轮子的两侧，位在轮轴的下方。当操作者的重心与轮轴之间的参考纵轴垂直于地面时，自平衡独轮电动车的速度为零。因为踏脚板是固定在轮架板上的，当站在踏脚板上的操作者将重心前倾或后仰时，致使轮架板也随着操作者的行动一同前倾或后翘，轮架板前低或后翘(即是车子的位置状态)的状态信号通过陀螺仪传给微处理，微处理驱动电机使独轮电动车前进或后退。如操作者将重心朝左右倾侧时，则可使车辆转向。轻巧灵活、便于携带是该自平衡独轮电动车的突出优点。然而，市场还要求再发展一种轻便的、站立式的、用手操控的两轮电动车。

因此，研制一台可便携、成本较低、手控操作简单、运行稳定的自平衡两轮电动车，供各有关场合使用，是本技术领域以及有关领域的普遍期望。

发明内容

本发明提出的自平衡式两轮电动车是有两个彼此基本对称地左右并排的、能独立转动的轮子。每个轮子各有一个电子自平衡控制系统和一个动力驱动系统，它们是根据轮架的位置变化，来驱动车轮向前或朝后滚动。驱动马达，还有在纵向平面上保持前后自平衡的能力。车子的两个轮子之间或在两个轮子的外侧，设置了供骑车人站立的踏脚板。在轮架上或在两个轮子之间设置了手控杆。

本发明揭示了用手控杆操控两轮电动车的技术，揭示了踏脚板的一些设置方式，揭示了手控杆的一些设置方式，还揭示了它们的一些组合方式。该车子既能载人，也能载物，各种部件的搭配，可以根据要求来选择。该种两轮电动车操纵灵活、运行稳定、便于携带，可以在多种领域内得到应用。

业内有经验人士在结合图纸审阅下文的详细叙述后，可以进一步了解本发明的技术特点以及其它有关的优点了。

附图说明

图1是根据本发明所提出的，一种带有两根手控杆的自平衡式两轮电动车的侧向透视图。它的一个踏脚板设置在两个车轮之间，两根手控杆设置在轮架上。

图2是根据本发明所提出的，另一种带有两根手控杆的自平衡式两轮电动车的侧向透视图。它的两个踏脚板设置在两个车轮的内侧，两根手控杆设置在轮架上。

图3是根据本发明所提出的，一种带有一根手控杆的自平衡式两轮电动车的侧向透视图。它的一个踏脚板设置在两个车轮之间，一根手控杆设置在轮架上。

图4是根据本发明所提出的，一种平衡式两轮电动车的侧向透视图。它的两个踏脚板设置在两个车轮的内侧。

图5是根据本发明所提出的，另一种平衡式两轮电动车的侧向透视图。它的两个踏脚板设置在两个车轮的外侧。

图6是根据本发明所提出的，另一种带有一根手控杆的自平衡式两轮电动车的侧向透视图。它的两个踏脚板设置在两个车轮的外侧，一根手控杆设置在两个车轮之间。

这些实例，将在下文中详述。

具体实施方式

参阅图1，这是本发明所提出的一种带有手控杆的自平衡式两轮电动车实施方案的侧向透视图。图中两轮电动车100的构成组件叙述如下：

两个彼此基本对称左右排列的，没有共同车轴的，能独立转动的车轮，第一车轮111与第二车轮112，它们可以各自独立地被电机所驱动。

两个轮架，第一轮架121与第二轮架122，每个车轮各自与一个轮架相配接，轮架罩住了与其配接的车轮，轮架可以相对于车轮独立地转动，轮架的转动轴线与车轮的转动轴线基本上是一致的。

两根手控杆，第一手控杆151与第二手控杆152，每根手控杆各自固定地连接在轮架上，手控杆是供操作者操控车子用的，如图所示，第一轮架121上设置的是手控杆151，第二轮架122上设置的是手控杆152，因为手控杆是固定在轮架上的缘故，所以手控杆151与轮架121是连成一体的，手控杆152与轮架122是连成一体的，所以手控杆只能在前后的方向(相对于操作者来说)上被推动，并且也是带动着各自连接着的轮架一起朝前或朝后绕轮架的转动轴线转动。

在每个轮架所包围的空腔内，各自独立地设置有一个电子自平衡控制系统以及一个动力驱动系统，这些部件与技术都已为业内人士所熟知，故而不在此细述了。

在两个轮架之间设置有一个踏脚板140，踏脚板至少应有一个以上的载重表面，图示的踏脚板140，是通常能载人与/或载物的一种设计实例。踏脚板还可以设计成各种形状或尺寸，供操作者站立。踏脚板140是采用悬挂结构，悬挂在两个轮架121与122上。为了操作方便与安全起见，踏脚板140通常是低于车轮的转动轴线。踏脚板140的悬挂结构是利用重力的关系，使踏脚板140在轮架转动时也能保持基本水平的状态，可以让操作者稳定地站立在踏脚板140上操控车子。踏脚板140通常保持着水平的位置，对骑车人来说，增加了安全性与舒适性。各种常规的悬挂结构也已为业内人士所熟知与运用，本文也不在此细表了。

需要指出的是，从外观来看，操控该手控电动车100朝前或朝后的运行性能也是相同的。实际上也就无所谓前后的方向了，如果将车子某一滚动方向定义作为向“前”的话，则与它相向的另一个滚动方向就是朝“后”了，车子朝“前”与朝“后”的运行功能相同，所以车子本身没有前后的区别。为了表达清楚起见，本文所说的前后方向，是以操作者骑行时的脸面朝向作参考标准，脸面对着的方向就叫向前，相反的方向叫向后。简言之，轮子的滚动方向是与手控杆的被推动方向是一致的。相对操作者来说，推手控杆向前，则车轮向前滚动，拉手控杆向后，则车轮向后滚动。手控杆是可以平滑地改变车轮的速度，手控杆越前推，加速度越大，反之亦然。

总结起来说，本实施方案的两轮电动车100，实际上是将两辆自平衡电动独轮车基本对称地排列起来，在它们之间加设了踏脚板140，还在轮架121和122上分别加设了手控杆151和152。手控杆151和152垂直于地面的位置，车子是静止状态，可设定为初始位置。手控杆151和152只能被操作者前后推动。每一侧的手控杆操控它那一侧车轮的滚动，车轮的滚动的方向与手控杆被推动的方向相同，手控杆越被前推，驱动车轮的加速度越大，车轮转动的速度越快。骑行时，操作者站立在踏脚板140上，左右手各握住一根手控杆151与152，两手同时将手控杆151与152往前推时，轮架121与122向前倾侧，自平衡电子控制系统就会指令驱动系统使车子前进；两手同时将手控杆151与152向后拉时，轮架121与122向后倾侧，同样原理车子就后退。若两根手控杆被置在不同的前后位置，车子就会转向。

图2是本发明所提出的另一种带有手控杆的自平衡式两轮电动车实施方案的侧向透视图。图上两轮电动车200与图1的两轮电动车基本相似，只是踏脚板的设置有所不同。两轮电动车200也有两个彼此基本对称的、能独立转动的车轮，第一车轮211与第二车轮212。它们可以各自独立地被电机所驱动。有两个轮架，第一轮架221与第二轮架222，每个车轮各自与一个轮架相配接，轮架罩住了与其配接的车轮，轮架可以相对于车轮独立地转动，轮架的转动轴线与车轮的转动轴线基本上是一致的。有两根手控杆，第一手控杆251与第二手控杆252，每根手控杆各自固定地连接在轮架上，手控杆是供操作者操控车子用的，如图所示，第一轮架221上设置的是手控杆251，第二轮架222上设置的是手控杆252。同样，因为手控杆是固定在轮架上的缘故，所以手控杆只能在前后的方向(相对于操作者来说)上被推动，并且也是带动着各自连接着的轮架一起朝前或朝后绕轮架的转动轴线转动。在每个轮架所包围的空腔内，各自独立地设置有一个电子自平衡控制系统以及一个动力驱动系统。

两轮电动车200也是前后对称的，车子朝前或朝后的运行性能也是相同的。简言之，轮子的滚动方向是与手控杆的被推动方向是一致的。手控杆是可以平滑地改变车轮的速度，手控杆越前推，加速度越大，反之亦然。从图2上可见，图上示意地画出了左右两根手控杆的位置稍有点错开，图上左边的手控杆251略被推向前了一点，右边的手控杆252略被拉向后了一点，此时车子的两个轮子的速度是不同的。

两轮电动车200与两轮电动车100的不同处是在于踏脚板的设置。两轮电动车200上设有两个踏脚板241与242，而且是各自分别固定在轮架221与222的内侧，且位在低于车轮转动轴线的位置。踏脚板241、手控杆251与轮架221是固定为一体的，踏脚板242、手控杆252与轮架222是固定为一体的，所以它们是联在一起运动的。如图2所示，轮架221与轮架222之间还设有一根可转动连杆260，可转动连杆260是使轮架221与轮架222可转动地连接，使得轮架221与轮架222都可以自由地独立转动，互不相干。

骑行两轮电动车200时，操作者的两脚分别站立在踏脚板241与242上，左右手各握住一根手控杆251、252，就可驱动两轮电动车200前进、后退与转向了。

图3是本发明所提出的又一种带有手控杆的两轮电动车实施方案的侧向透视图。图上两轮电动车300与图1的两轮电动车基本相似，只是脚踏板的设置与手控杆的设置有所不同。两轮电动车300同样也有两个彼此基本对称的、能独立转动的车轮，第一车轮311与第二车轮312，它们可以各自独立地被电机所驱动。有两个轮架，第一轮架321与第二轮架322，每个车轮各自与一个轮架相配接，轮架罩住了与其配接的车轮，轮架可以相对于车轮独立地转动，轮架的转动轴线与车轮的转动轴线基本上是一致的。在每个轮架所包围的空腔内，各自独立地设置有一个电子自平衡控制系统以及一个动力驱动系统。两轮手控电动车300也是前后对称的，车子朝前或朝后的运行性能也是相同的。

两轮电动车100的两个轮架之间也设置有一个踏脚板340，供操作者站立。不过踏脚板340的两端是分别固定地连接在两个轮架321与322上。踏脚板340通常也是低于车轮的转动轴线。

两轮电动车300与两轮电动车100另一不同处是设置的手控杆。两轮电动车300只有在一个轮架上设置了一根手控杆350，供操作者使用。图3所示，手控杆350是设置在轮架322上，因为两轮电动车是前后对称的，所以能适合于习惯用右手的人，也适合于“左撇子”操作者使用。两轮电动车300上的手控杆350是与两轮电动车100的手控杆不同，两轮电动车100的手控杆是固定在轮架上的，且只能被朝前推或朝后拉，在前后两个方向上的运动，实际功能只能算是轮架的延长连杆。两轮电动车300上的手控杆350是类似于飞机驾驶杆和电脑游戏机控制杆性能的手控杆，业内人士称为Joystick类的操控杆。Joystick类的操控杆现在是已经很成熟的技术。手控杆350不是固定地连接在轮架上的，它通常是设置在轮架的中央(如图3所示)，只能朝左或朝右横向的倾侧，这里的横向是指相对于站在踏脚板上的操作者而言的左右横向。手控杆350在垂直的初始位置时，被设定车子速度为零。手控杆350朝左倾侧时，左侧轮子的速度比右侧轮子的速度慢，车子向左转向；手控杆350朝右倾侧时，右侧轮子的速度比左侧轮子的速度慢，车子向右转向。手控杆350倾侧程度越大，两轮子的速度差就越大。所以，两轮电动车300的手控杆350，可以很有成效地操控车子的方向。

两轮电动车300的前进与后退，是依靠站在踏脚板上的操作者将重心前倾或后仰，由于踏脚板与轮架是固定在一起的，所以轮架也随着踏脚板一同前倾或前翘，与上述两个实施方案相同，轮架前倾时，电子自平衡控制系统会发出信号，驱动系统令两个轮子朝前滚动；轮架前翘时，驱动系统同理使两个轮子朝后滚动。前倾或前翘的程度大小，决定了前进或后退的速度大小。所以，两轮电动车300的进退是由操作者操控的。

图4是本发明所提出的一种没有设置手控杆的自平衡式两轮电动车实施方案的侧向透视图。从图上可见，两轮电动车400与两轮电动车200相似，区别是没有设置手控杆。

两轮电动车400同样有：两个彼此基本对称的，没有共同车轴的，能独立转动的车轮，第一车轮411与第二车轮412，它们可以各自独立地被电机所驱动。两个轮架，第一轮架421与第二轮架422，每个车轮各自与一个轮架相配接，轮架罩住了与其配接的车轮，轮架可以相对于车轮独立地转动，轮架的转动轴线与车轮的转动轴线基本上是一致的。在每个轮架所包围的空腔内，同样各自独立地设置有一个电子自平衡控制系统以及一个动力驱动系统。

两轮电动车400上设有两个踏脚板441与442，各自分别固定在轮架421与422的内侧，且位在低于车轮转动轴线的位置。踏脚板441与轮架421是固定为一体的，所以它们是一起联动的。踏脚板442与轮架422固定为一体，所以它们也是一起联动的。轮架421与轮架422之间还设有一根可转动连杆460，可转动连杆460是使轮架421与轮架422可转动地连接，使得轮架421与轮架422都可以自由地独立转动，互不相干。

为了使骑车人的腿与相应的轮架之间，稳定地保持摩擦接触，在轮架上专门设置了供腿接触的靠腿板470。靠腿板470位于每个轮架上踏脚板的上方，使操作者能用腿来操控轮架的前倾或后倾，驱动两轮电动车向前或朝后。操作者的重心左右倾侧，可驱使车子转向。靠腿板上与腿接触的表面，与轮架相比，应具有较大的摩擦力；其表面形状还要稍有弯曲，以适配骑车人小腿通常的轮廓；还应该用柔软的材料来制造，或覆盖在操作者的腿靠住轮架的区域。最简单的可采用做法是加设软性橡胶类材质的垫子。

显然，如果每个轮架上都设有一根手控杆的话，本方案的两轮电动车就与图2实施方案的两轮电动车基本相同了。

图5是本发明所提出的另一种没有设置手控杆的自平衡式两轮电动车实施方案的侧向透视图。从图上可见，两轮电动车500与两轮电动车400相似，区别是两个踏脚板设置在两个轮架的外侧。两轮电动车500有两个彼此基本对称的，没有共同车轴的，能独立转动的车轮，第一车轮511与第二车轮512，它们可以各自独立地被电机所驱动。两个轮架，第一轮架521与第二轮架522，每个车轮各自与一个轮架相配接，轮架罩住了与其配接的车轮，轮架可以相对于车轮独立地转动，轮架的转动轴线与车轮的转动轴线基本上是一致的。在每个轮架所包围的空腔内，同样各自独立地设置有一个电子自平衡控制系统以及一个动力驱动系统。

两轮电动车500上也设有两个踏脚板541与542，不过它们各自分别固定在轮架521与522的外侧，且位在低于车轮转动轴线的位置。轮架521与轮架522之间还设有一根可转动连杆560，可转动连杆560是使轮架521与轮架522可转动地连接，使得轮架521与轮架522都可以自由地独立转动，互不相干。每个轮架上踏脚板的上方还设有靠腿板570，供操作者靠腿用，使操作者能用腿来操控轮架的前倾或后倾，驱动两轮电动车向前或朝后。操作者的重心左右倾侧，可驱使车子转向。

图6是本发明所提出的另一种设置手控杆的自平衡式两轮电动车实施方案的侧向透视图。两轮电动车600与两轮电动车500的方案类似，区别是两轮电动车600在两个车轮之间，设置了一根手控杆。从图6可见，有两个彼此基本对称的，没有共同车轴的，能独立转动的车轮，第一车轮611与第二车轮612，它们可以各自独立地被电机所驱动。两个轮架，第一轮架621与第二轮架622，每个车轮各自与一个轮架相配接，轮架罩住了与其配接的车轮，轮架可以相对于车轮独立地转动，轮架的转动轴线与车轮的转动轴线基本上是一致的。同样，两轮电动车600的每个车轮上，各自独立地配置有一个电子自平衡控制系统以及一个动力驱动系统。两个踏脚板641与642，各自分别固定在轮架621与622的外侧，且位在低于车轮转动轴线的位置。两个轮架之间有一条连杆660相连，它固定地连接第一轮架621与第二轮架622。

在两个车轮之间的连杆660上，设置了一根手控杆650，它与图3方案中的手控杆350相同，只能左右横向倾侧。手控杆650在垂直的初始位置时，被设定车子速度为零。手控杆650朝左倾侧时，左侧轮子的速度比右侧轮子的速度慢，车子向左转向；手控杆650朝右倾侧时，右侧轮子的速度比左侧轮子的速度慢，车子向右转向。手控杆650倾侧程度越大，两轮子的速度差就越大。所以，两轮电动车600是用手控杆650操控车子的运行方向。

当操作者前后转移重心时，踏脚板的前倾或后倾，带动了轮架一起前倾或后倾，电子自平衡控制系统和动力驱动系统就驱动车轮向前或朝后滚动。两个轮架上设置了靠腿板670，供操作者靠腿用，使操作者能用腿来操控轮架的前倾或后倾，驱动两轮电动车向前或朝后。

最后还要指出的是，本发明提出的自平衡式两轮电动车的两个轮子，通常不是垂直地立在地面上的，设计得使两个轮子上端的互相间距比两个轮子下端的间距较小。这是为了适应人体站立的需要，方便操作者站立，用腿操控车子。

综上所述，本发明提出了一种新型的两轮电动车，其特点是电子自平衡控制系统根据轮架的位置变化，来操控两轮电动车的前进、后退与转向。没有设置手控杆的两轮电动车是操作者用腿改变轮架的位置，来操控两轮电动车的前进、后退与转向。设置手控杆的两轮电动车是用手控杆改变轮架的位置，来操控两轮电动车的前进、后退与转向。虽然上述几个实施方案揭示了踏脚板的一些设置方式、手控杆的一些设置方式以及它们的一些组合，当然还可以实际使用情况选择另一些组合方式。该车子既能载人，也能载物，各种部件的搭配，可以根据要求来选择。该种两轮电动车操纵灵活、运行稳定、便于携带，可以在多种领域内得到应用。

虽然以上叙述的各种实施方案包含了许多特定的细节，但是不应构成对实施方案包括范围的限制，而且也不应仅仅限于目前提出的这些特定方案的图示上。因此，这些实施方案的涵盖范围应该由所附的权利要求及其相应的文件所确定的，而不是由上述给出的实例所决定的。此外，还应该理解为本发明还能作进一步的改动。本专利旨在涵盖根据本发明的原理所进行的各种变化、用途或改良；也涵盖了与本发明所揭示的已知方案或实施方案有所偏离，但仍然从属于本发明技术及其应用原理的范围。

Claims (5)

1.一种自平衡式两轮电动车，它是由如下部件所构成：

第一车轮与第二车轮，它们是彼此基本对称地左右设置的，它们没有共同的车轴，能独立地转动；

第一轮架与第二轮架，第一轮架连接所述的第一车轮，第二轮架连接所述的第二车轮；

第一手控杆与第二手控杆，第一手控杆连接所述的第一轮架，第二手控杆连接所述的第二轮架；

第一电动机与第二电动机，第一电动机驱动所述的第一车轮，第二电动机驱动所述的第二车轮；

至少一个电子控制系统，操控所述的第一电动机与所述的第二电动机；

至少一个踏脚板，与第一轮架、第二轮架相连接，供操作者两脚站立；

操作者的两脚站在踏脚板上，通过所述手控杆改变轮架的前后倾斜度，当第一轮架与第二轮架向前倾侧，自平衡电子控制系统会指令第一电动机与第二电动机使车子前进；当第一轮架与第二轮架向后倾侧，自平衡电子控制系统会指令第一电动机与第二电动机使车子后退；若第一轮架与第二轮架倾侧的角度不同，第一车轮与第二车轮的速度不同，车子就会转向，从而操控两轮电动车的向前、朝后与转向。

2.一种自平衡式两轮电动车，它是由如下部件所构成：

第一车轮与第二车轮，它们是彼此基本对称地左右设置的，它们没有共同的车轴，能独立地转动；

第一轮架与第二轮架，第一轮架连接所述的第一车轮，第二轮架连接所述的第二车轮，第一轮架与第二轮架之间连接且独立转动；

第一电动机与第二电动机，第一电动机驱动所述的第一车轮，第二电动机驱动所述的第二车轮；

至少一个自平衡电子控制系统，操控所述的第一电动机与所述的第二电动机，控制所述第一轮架与第二轮架各自独立地实现自平衡；

第一踏脚板与第二踏脚板，第一踏脚板连接所述的第一轮架、第二踏脚板连接所述的第二轮架，供操作者两脚分别站立；

骑行时，操作者站立在所述踏脚板上，通过所述踏脚板分别改变轮架的前后倾斜度，当第一轮架与第二轮架向前倾侧，自平衡电子控制系统会指令第一电动机与第二电动机使车子前进；当第一轮架与第二轮架向后倾侧，自平衡电子控制系统会指令第一电动机与第二电动机使车子后退；若第一轮架与第二轮架倾侧的角度不同，第一车轮与第二车轮的速度不同，车子就会转向，从而操控两轮电动车的向前、朝后与转向。

3.根据权利要求2所述的自平衡式两轮电动车，其特征在于，该两轮车的第一踏脚板与第二踏脚板，分别固定地设置在第一轮架与第二轮架的内侧。

4.根据权利要求2所述的自平衡式两轮电动车，其特征在于，该两轮车的第一踏脚板与第二踏脚板，分别固定地设置在第一轮架与第二轮架的外侧。

5.根据权利要求2所述的两轮电动车，其特征在于，在第一轮架与第二轮架上分别设置有供腿接触的靠腿板，位于踏脚板的上方。