CN102556257A - 具有杆踏板机构的轮式设备 - Google Patents

Abstract

用于轮式设备的踏板机构包括框架、具有带齿轮的轮毂的至少一个轮，至少一个轮由框架可旋转地支撑。至少一个踏板杆在安装端枢转地安装至框架，每个踏板杆具有与安装端相反的驱动端。可旋转驱动齿轮由框架承载并包括从至少一侧延伸的轴。曲柄联接在踏板杆的驱动端与轴之间。环链联接在带齿轮的轮毂与可旋转驱动齿轮之间，从而至少一个踏板杆的运动引起轮的旋转。轮式设备还可以包括系统控制器和马达，其中使用者控制面板允许踏板机构和马达的结合使用。

Description

具有杆踏板机构的轮式设备

技术领域

一般地，本发明涉及行进设备。具体地，本发明涉及这样的行进设备，该行进设备是自推进的并且可以由电动机辅助。特别地，本发明涉及将人的自然踏步运动转换成旋转轮运动的设备。

背景技术

对于传统两轮车而言，踏板运动一直是圆周的。换言之，当个人坐在两轮车座椅上时，他的脚搁置在径向相对的踏板上，该相对的踏板通过骑乘者来运动以使驱动齿轮旋转，驱动齿轮进而通过其借助驱动链形成的连接驱动带齿轮的后轮或使该带齿轮的后轮旋转。当个人处于站立姿态而未坐下时，脚的这种圆周运动是困难的。因此，当以直立姿态站立在踏板上时，旋转式踏板并不适于骑乘。实际上，传统带座椅的两轮车上的踏板可相对其曲柄自由地转动，这样允许将方向性人力脚踏力转换为飞轮的旋转。如果踏板能够相对曲柄自由地转动或摆动，那么这使站立的骑乘者保持平衡更加困难。此外，本领域技术人员可理解，当踏板接近其顶点位置时，向下施加在踏板上的法向力与曲柄轴的反作用力直接相对，从而产生止点效应。因此，难以获得连续施加的力。这在骑乘者沿斜面上行时尤其是问题。这显著地使骑乘者减慢并可能迫使他们推行两轮车。此外，在较低速度情况下，降低了两轮车的操纵性。这在拥挤的城区可能是个麻烦。此外，大多数两轮车通常具有长的纵向框架，这也使在拥挤的城区进行转向变得困难。

传统两轮车利用具有约170mm的标准曲柄臂长度的踏板，从而产生340mm直径的圆周踏板运动。可以理解，这超过两个标准台阶踏步一起的总高度。然而，据信该运动范围对于推进两轮车或轮式设备并非必须。实际上，据信在该领域中需要更高效地利用骑乘者的体重，从而允许减小曲柄臂的长度并且能够产生力以推进两轮车。

发明内容

根据以上，本发明的第一方面在于提供具有杆踏板机构的轮式设备。

本发明的另一方面在于提供用于轮式设备的踏板机构，该踏板机构包括：框架；至少一个轮，具有带齿轮的轮毂，轮由框架可旋转地支撑；至少一个踏板杆，在安装端枢转地安装至框架，每个踏板杆具有与安装端相反的驱动端；可旋转驱动齿轮，由框架承载，可旋转驱动齿轮具有从至少一侧延伸的轴；曲柄，联接在踏板杆的驱动端与轴之间；以及环链，联接在带齿轮的轮毂与可旋转驱动齿轮之间，其中，至少一个踏板杆的运动引起轮的旋转。

本发明的又一方面在于提供轮式行进设备，该轮式行进设备包括：框架；至少一个轮，联接至框架；人力踏板机构，联接至至少一个轮并适于使至少一个轮旋转，踏板机构具有运动探测传感器；马达，联接至至少一个轮并适于使至少一个轮旋转；系统控制器，连接至马达和运动探测传感器并接收来自该马达和运动探测传感器的输入；以及使用者控制面板，连接至系统控制器，系统控制器被编程以接收来自马达的输入、接收来自运动探测传感器的输入、接收来自使用者控制面板的与速度设定和模式设定至少之一有关的使用者输入、以及生成控制信号以基于输入中至少两个来选择性地调整马达。

附图说明

关于以下描述、所附的权利要求、以及附图，可更好地理解本发明的这个和其他特征和优点，在附图中：

图1是根据本发明的理念的自推进行进设备的侧视图；

图2是根据本发明的理念的行进设备的部分俯视图，并且示出根据本发明的理念的踏板机构的选择的方面；

图3是根据本发明的理念的踏板机构的详细侧视图；

图4A-4D示出处于各脚踏位置的作为踏板机构一部分的踏板杆的各位置；

图5A和图5B示出踏板机构和力的详细视图，该力被有角度地施加至踏板杆以消除止点效应；

图6是沿图2的线6-6取得的部分横截面图，其中示出根据本发明的理念的踏板机构的细节；

图7是沿图2的线7-7取得的部分横截面图，其中示出根据本发明的理念的踏板机构的细节；以及

图8是用于对根据本发明的理念的设备进行操作的控制器的示意图。

具体实施方式

现在参照全部附图，尤其参照图1和图2，可以看到自推进行进设备总体上由数字20指示。该设备基本上是采用上/下踏板运动的无座椅两轮设备。可理解，该设备还适用于具有1个、3个、4个或更多轮的设备并且不设有座椅以使得骑乘者可持续地处于站立姿态。然而，本发明的理念适用于采用座椅(如果需要)的轮式设备。在一些实施方式中，该设备可设置有动力辅助。实际上，随着描述继续，可以理解，相对于圆周踏板运动，上/下踏板运动具有某些优点，该特征可应用于人力、动力驱动的或动力辅助的有座椅或无座椅两轮车、三轮车和四轮车。

设备20包括框架22，如图所示，框架22保持两个轮，或者框架22可被配置成与任何数目的轮一起使用。在框架22的一端设有套管24，套管24允许可旋转地接纳转向柱26。转向柱的高度可按照骑乘者的需要进行调节。车把30从转向柱26的一端以及两侧基本垂直地延伸，车把30可以承载由使用者致动的制动机构和/或用于操作设备20的其他控制装置。前叉32从转向柱26与车把30的相反的端部延伸，前叉32在通过骑乘者使车把30运动而进行的控制下在旋转方向上运动。

可旋转轮38联接至前叉32。轮38包括轮毂40，对轮辋式轮胎(rimmed-tire)44进行支撑的多个辐条42从轮毂40径向延伸。在一些实施方式中，轮毂马达50可以联接至轮毂40以允许轮38被动力驱动旋转。前制动器52A与框架22或连接部件联接，并且允许使用者向轮辋式轮胎44施加制动力。如同在传统两轮车中一样，可以通过由安装在车把上的手杆拉动的绳索来对制动器52A进行致动。还可以通过轮毂马达50来电气地施加制动力。在一些实施方式中，可以对制动器52A电气地致动。

控制器60紧固至框架22并且控制轮毂马达50的操作，将对此进行详细描述。控制器60可以提供控制面板62，控制面板62提供使用者控制以允许各种操作模式的选择。控制器60还可以安装至车把30和/或转向柱26。控制器60允许使用者在马达被使用时选择速度以及允许制动器52和其他操作功能的应用，将对此进行详细描述。在车把30中可以结合手控制装置66，其中结合在手控制装置66中的控制器或开关的选择性旋转可以用于对设备20的模式、速度和/或制动进行控制。显示控制面板62和手控制装置66可以互为冗余或相互补充。

为轮毂马达50和控制器60供电的电池组68安装至框架22，并且该电池组68可以结合在控制器60内或者被保持为单独部件。

如在图2和图3中最佳地看到的那样，总体上由数字70指示的后轮叉紧固至框架22。与叉70联接的后轮74包括轴72，轴72可旋转地安装至叉70。轮74包括绕轴72旋转的轮毂78。与轮辋82连接的多个辐条80从轮毂78径向延伸，轮辋82对轮胎84进行支撑。齿轮86由轮毂78保持，从而当齿轮旋转或被驱动时，轮74也进行相应的旋转。框架22包括紧固至框架22的齿轮壳体90。叉70连接至齿轮壳体90并特别地包括支架92，支架92的一端紧固至齿轮壳体而相反端联接至轮74。具体地，支架92被构造以使得一侧的支架92A位于轮74的一侧且相对侧的支架92B位于轮74的另一侧。每个支架92A、92B都提供轴槽口94，轴槽口94安装在轴72的相应端部上并接纳该端部。每个支架92提供杆安装件96，安装销98从杆安装件96基本上垂直地延伸。杆安装件96彼此同轴地对准并且位于支架92A、92B与齿轮壳体相反的一端。换言之，杆安装件96沿其各自的支架位于轴槽口94的一侧，支架92的相反端安装至齿轮壳体90。

现在参照图3，但是还参照图1、图2和图4-图7，可以看到踏板机构总体上由数字100指示。机构100由框架22承载并且联接至后叉70且特别地连接联结至齿轮壳体90。踏板机构100包括枢转地安装至框架22的一对相对的踏板杆102。具体地，每个踏板杆102都提供安装端104，安装端104与从相应的杆安装件96延伸的相应的安装销98连接。与每个安装端104相反设置有驱动端106。每个踏板杆102包括处于安装端104与驱动端106之间的折弯部108。折弯部108用作驱动端106相对于安装端104角度定向的顶点。实际上，安装端104以从15°至75°的任何角度从驱动端106有角度地延伸。在支架92A、92B之一上或在二者上安装有后制动器52B，后制动器52B通过与前制动机构52A与前轮38接合的方式类似的方式与后轮74接合。

在踏板杆102的驱动端之间设有驱动齿轮110，驱动齿轮110被保持在齿轮壳体90内并可绕轴112旋转。轴112从驱动齿轮110的每一侧延伸，其中轴的每个端部都与总体上由数字114指示的曲柄连接。相应的曲柄臂116从曲柄114的相应的端部基本上垂直地延伸。还可理解，曲柄臂116在彼此相反的方向上延伸。在每个曲柄臂116的端部设有衬套端120。环链124将保持在踏板机构100中的驱动齿轮110与由后轮74的轮毂78保持的齿轮86链接。

每个踏板杆102包括从驱动端106延伸的踏脚板126。如在图2最佳地看到的那样，踏脚板的尺寸被确定以允许骑乘者将每只脚置于在其上并使之处于任何不同的位置。换言之，骑乘者可将其脚趾置于踏脚板的前边缘附近或置于该前边缘之上，或者骑乘者可将其足跟置于踏脚板的后边缘附近或置于该后边缘之上，或者将脚趾或足跟置于前边缘与后边缘之间的任何位置。可以理解，踏脚板的表面可提供摩擦材料以确保使用者的脚不会从踏板杆意外滑落。踏脚板126还可以具有超大尺寸以允许各种位置，从而适合使用者的不同高度和身体类型。每个踏脚板126都提供长型槽口130，长型槽口130基本上平行或沿踏板杆的长度伸展。衬套134可滑动地保持在每个长型槽口130内并与曲柄臂116的相应衬套端120联接。本领域技术人员可理解，衬套134成形为具有延伸的边缘以保持槽130内并且仍允许在其中运动。在踏板杆上向下推压导致衬套134在长型槽口中运动，这样进而引起曲柄臂116旋转。这导致轴112旋转，轴112使驱动齿轮110转动并且导致通过轮74的链124的相应旋转。如在图3最佳看到的那样，距离138(d)将后轮轴72与安装销98分离，安装销98用作踏板杆的枢转点。

现在参照图4A-图4D，可以看到，踏板杆被示出为处于各种位置，从而导致驱动齿轮110逆时针旋转。如图4A所示，踏板杆处于其较低位置且衬套端120在长型槽口130内处于中位。当向下的力施加于位于齿轮壳体90另一侧的踏板杆上时，曲柄臂160逆时针旋转，并且如图4B所示，衬套端120继续移动至长型槽口的一端。该旋转运动继续进行，如图4C所示的那样，曲柄臂与其在图4A中的位置180°相对，且衬套端120沿长型槽口130返回中位。从而在该位置，骑乘者的全部重量可施加于踏脚板126，并且如图4D所示，衬套134和衬套端120被指引朝向长型槽口的另一端。换言之，衬套134可滑动地移动以处于与其如图4B所示位置相反的位置。踏板杆102的这种下/上/下运动循环导致驱动齿轮110的完全旋转。

图5A和图5B示出处于不同位置的踏板杆并且示出踏板杆相对于曲柄114的角度设置。具体地，图5A示出轴112与衬套120彼此竖直对准时，面向读者的踏板杆处于上部位置，使得由骑乘者左脚所施加的力被指引处于相对于中心线大约5°至20°的角度，其中衬套134位于轴112上方。在图5B中最佳地看到，当面向读者的踏板杆处于下部位置时，即使衬套134与轴112竖直对准以使得衬套134直接位于轴112下方并与其竖直对准，仍然施加有带角度的力。可理解，以角度定向施加的而非垂直于曲柄臂定向施加的法向力除去了通常旋转式两轮车踏板中常常出现的止点效应。

如之前对于传统两轮车所讨论的那样，踏板运动一直为圆周的。足部的这种圆周运动对于自由站立的人而言是很困难的。因此，当骑乘者以直立姿态站立时，旋转式踏板并不完全适合旋转。然而对于设备20而言，踏板被设计成总体上在纬度方向上运动。换言之，踏板配置不进行摆动，并且左右踏板仅大体上同时上下运动，因此骑乘者的重量自然地在两腿之间转移至呈直线形态的较低的腿以容易地站立。踏脚板当其到达上/下运动的较低位置时大体上为平的且稳定的，从而为骑乘者提供舒适且稳固的站立平台。通过消除止点效应，踏板以其为倾斜的方式到达顶点位置，使得由使用者施加的法向力处于角度阿尔法(α)(如图5A所示)，从而向前并向下推动曲柄经过顶点。踏板还可被设置成在最低位置并以角度贝塔(β)略微倾斜(如图5B所示)，从而有助于处于顶点位置的相对踏板-使用者右脚的踏板-使曲柄移动而转动以及克服止点效应。每个踏板都具有朝向设备后部延伸的力矩杆臂。

在图3、图6和图7中最佳地看到，踏板杆的枢转点处于位置96处以提供长的力矩臂，其进而为使用者提供机械优势，从而容易地将力作用在曲柄臂和驱动齿轮上以及使轮旋转。此外，通过在支架92A、92B的后部的每个端部并借助旋转式联接件将踏板杆连接至支架92A、92B的后部，并且通过以同轴对准的方式设置这些旋转式联接件，转动联接件相对于驱动齿轮的位置以及踏板杆的角度使踏板倾斜，如图4和图5所示。

踏板机构的另一优点在于，站立的骑乘者的全部体重贡献高得多的脚踏力。由于对骑乘者的体重进行了这种高效利用，因此该设备需要不多于标准两轮车曲柄臂长度一半的曲柄臂。换言之，踏板运动的纬度测量近似于或小于标准楼梯踏步的纬度测量。因此，骑乘者的膝部并不弯曲成传统两轮车中的那种程度，且骑乘者能够使用其体重在在踏板上进行下压而不是像在传统两轮车中那样使用腿部肌肉。此外，可根据使用者的偏好来使用不同长度的曲柄臂。曲柄臂在设备上的这种可互换性允许使用者具有特别适于其体格的上/下脚踏运动。

踏板机构的又一优点在于，踏板杆的长度允许骑乘者相对于车把30的位置在踏脚板上站立得更靠前或靠后。在沿踏板长度的不同站立位置，脚踏力以及脚踏部分的高度也略微地变化。因此，长的踏板允许个体骑乘者找到其最舒适的骑乘位置并提供宽的站立平台以供整个足部可置于其上。例如，身高较低的骑乘者通常重量较轻且具有较短的手臂，并且该骑乘者可通过站立得更靠近车把且更舒适来更高效地利用其体重来驱动设备。相反，具有较长手臂的较高且较重的骑乘者可以站立得更加远离转向车把。又一优点在于，相比传统的两轮车，具有座椅的设备更加紧凑。实际上，可以通过转向柱可伸缩且可容易调整以适合不同骑乘者的方式对该设备进行折叠。

现在参照图8，可理解，设备20的一些实施方式可以在前轮处采用机动轮毂以辅助设备的运动。为了实现机动马达和设备20其他操作特征的使用，控制器60包括系统控制器140。与踏板机构100一样，显示控制面板62联接至系统控制器140。具体地，运动检探传感器142与机构100相关联并向系统控制器提供输入。在一些实施方式中，运动检测传感器142可安装在齿轮壳体90中。传感器142向微控制器生成数据信号，其具有与齿轮86的旋转方向、齿轮86旋转速度、和其他信息相关的信息。电池组68还通过电源线144连接至系统控制器。

在显示控制器62中包括有生成速度输入信号147的速度选择开关146以及生成模式输入信号149的模式选择开关148。此外，前制动器52A和后制动器52B可以生成制动输入信号53，制动输入信号53还被提供至系统控制器140。

在系统控制器140内保持有微控制器154。微控制器提供必要的硬件和软件，以接收各种列举的输入并生成适合的输出从而以期望的方式操作马达50和设备20。具体地，微控制器154生成由三相MOSFET驱动器158接收的脉宽调制信号156。驱动器158还直接接收来自电池组68的电源线电压144。电源感应设备160与电源线144相关联，该输入还被提供至微控制器154。提供至微控制器154的另一输入是转子位置反馈162，转子位置反馈162提供有关于马达50的操作信息。此外，电池组68与微控制器之间的双向链路由信号线168提供。

通过显示控制面板62，使用者可设置各种输入，如速度和模式，其中速度可以被大体上被设计为低、中或高或任何其他期望数目的增量。模式可以包括4种不同模式，例如关机、动力巡航、动力辅助和驻车。这些不同模式和速度限制选择允许不同的操作特征。例如，在关机模式下，仅使用者可提供设备的运动。换言之，在此模式下，仅人力的脚踏动作使设备运动，并且不启动或不使用电动机。在动力巡 航模式下，仅在任何指定速度下使用电动机。就此，在恒定速度下，仅需要脚踏动作来在启动电动机。当应用前制动器或后制动器任一个时，供应至电动机的动力被断开。在动力辅助模式下，骑乘者和马达都被利用来推进设备。因此，当应用制动器时或者当骑乘者停止脚踏动作时，供应至电动机的动力被断开。最后，在驻车模式下，仅使用低速，并且中速或高速被忽视。就此，当设备仅由电动机驱动时，需要恒定的行进速度且不需要任何脚踏动作。可理解，速度和模式选择二者都是直接骑乘者输入开关。因此，在驻车模式下，马达可通过电力驱动，从而为设备的驻车提供恒定的行进速度，而根本无需踏板运动输入信号。在动力辅助模式下，马达通过电力驱动，并且微控制器通过传感器142探测踏板运动。马达动力取决于速度限制设定——低、中或高。在恒定速度模式下，微处理器对动力进行调节以维持预设速度。最后，在传统的两轮车模式下，电子器件被关闭而且无任何动力被提供至马达。就此，设备可被设置，从而在无电池组的情况下或者电池为低电量时，设备仍可在人力作用下被推进。

显示控制面板62接收来自微控制器的输入170。显示控制面板可以包括由微控制器驱动的一组指示灯以显示信息，诸如：电池充电的状态，即剩余的电量；在各动力辅助、驻车、巡航、和关机模式下由使用者选择的当前操作模式。与速度和模式相关联的开关设置在显示面板62上以进行骑乘者选择，并且制动器开关设置在可以被保持在车把上或其他位置的机械式左制动器杆和右制动器杆内。微处理器被配置成对是否应用制动进行监控，并且微处理器在探测到来自任一开关的制动信号时关断马达电气驱动动力。踏板的方向和脚踏动作频率由被输入的脚踏运动探测单元142获得，并且由微处理器154使用以进行计算并根据所选择的模式来控制马达旋转速度。马达的操作由输入信号162校验以在需要时调整控制信号156的生成。

因而，可以看到，通过上述的结构及其使用方法实现了本发明的目的。尽管根据专利法规，仅详细示出和描述了最佳模式和优选实施方式，但是应理解本发明并不限于此或由此限制。因此，为了理解本发明的真正范围和广度，应当参照后附的权利要求。

Claims (15)

1.踏板机构，其用于轮式设备，所述踏板机构包括：

框架；

至少一个轮，具有带齿轮的轮毂，轮由所述框架可旋转地支撑；

至少一个踏板杆，在安装端枢转地安装至所述框架，每个踏板杆具有与所述安装端相反的驱动端；

可旋转驱动齿轮，由所述框架承载，所述可旋转驱动齿轮具有从至少一侧延伸的轴；

曲柄，联接在踏板杆的驱动端与所述轴之间；以及

环链，联接在所述带齿轮的轮毂与所述可旋转驱动齿轮之间，其中，所述至少一个踏板杆的运动引起轮的旋转。

2.根据权利要求1所述的踏板机构，还包括：

踏脚板，从踏板杆的驱动端延伸，所述踏脚板具有长型槽口；以及

衬套，可滑动地保持在所述长型槽口中，所述曲柄具有与所述衬套联接的衬套端，其中所述踏脚板的线性运动使所述曲柄和驱动齿轮旋转。

3.根据权利要求2所述的踏板机构，还包括：

相对的踏板杆，其中第一踏板杆安装至所述框架的一侧，第二踏板杆安装至所述框架的相反侧，其中所述安装端径向设置在所述带齿轮的轮毂的一侧，所述驱动端径向设置在所述带齿轮的轮毂的相反侧。

4.根据权利要求3所述的踏板机构，其中每个踏板杆具有处于所述安装端与所述驱动端之间的折弯部，其中每个安装端以15°至75°之间的角度从所述折弯部有角度地延伸。

5.根据权利要求4所述的踏板机构，其中从所述折弯部至所述安装端的距离小于或等于从所述带齿轮的轮毂的中心至所述安装端被安装的位置的距离。

6.根据权利要求3所述的踏板机构，其中所述安装端彼此同轴地对准。

7.根据权利要求3所述的踏板机构，其中所述曲柄具有彼此基本上径向相对的踏板端，其中一个踏板端连接至一个踏板杆的驱动端，另一个踏板端连接至另一个踏板杆的驱动端。

8.根据权利要求7所述的踏板机构，其中，当所述驱动端线性地上下运动时，所述衬套在所述长型槽口的两端之间滑动。

9.轮式行进设备，包括：

框架；

至少一个轮，联接至所述框架；

人力踏板机构，联接至所述至少一个轮并适于使所述至少一个轮旋转，踏板机构具有运动探测传感器；

马达，联接至所述至少一个轮并适于使所述至少一个轮旋转；

系统控制器，连接至所述马达和所述运动探测传感器并接收来自所述马达和所述运动探测传感器的输入；以及

使用者控制面板，连接至所述系统控制器，所述系统控制器被编程以：

接收来自所述马达的输入；

接收来自所述运动探测传感器的输入；

接收来自所述使用者控制面板并与速度设定和模式设定至少之一有关的使用者输入；以及

生成控制信号以基于输入中至少两个来选择性地调整马达。

10.根据权利要求9所述的设备，还包括：

制动器，连接至控制器并生成由所述系统控制器接收的制动输入信号，所述系统控制器被编程以基于所述制动输入信号来调整所述马达的操作。

11.根据权利要求10所述的设备，其中所述使用者控制面板提供以下模式的至少之一：

关机模式，仅允许使用所述人力踏板机构；

动力巡航模式，仅允许使用所述马达来推进所述设备；

动力辅助模式，允许使用所述人力踏板机构和所述马达；以及

驻车模式，允许仅以预先选择的速度来使用所述马达。

12.根据权利要求11所述的设备，其中所述马达被允许以指定为低、中和高的至少三种速度进行操作，其中所述动力辅助模式允许使用全部三种速度，并且通过探测到的来自所述人力踏板机构的输入来开始所述马达的使用。

13.根据权利要求12所述的设备，其中，在所述驻车模式下，所述系统控制器生成所述控制信号，以通过所述马达为所述设备提供恒定行进速度而根本无需来自所述运动探测传感器的输入。

14.根据权利要求13所述的设备，还包括：

微控制器，接收来自所述马达、所述运动探测传感器和所述使用者控制面板的输入；

电池组，具有电源线，所述电源线生成由所述微控制器接收的电压感应信号；以及

三相MOSFET驱动器，连接至所述电源线，驱动器向所述马达供电并且生成由所述微控制器接收的电流感应信号；

所述微控制器生成由驱动器接收的脉宽调制控制信号以控制所述马达的操作。

15.根据权利要求14所述的设备，其中所述马达生成由所述微控制器接收的转子位置反馈信号，以调节所述脉宽调制控制信号。

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