CN102847296A - 基于背包电源的旱冰鞋式电动代步工具 - Google Patents

Abstract

基于背包电源的旱冰鞋式电动代步工具，涉及简便的电动交通工具领域。本发明主要由装有充电电源和电机控制电路的背包、固定有直流电机的旱冰鞋、可输出开关和模拟信号的控制手柄三部分组成。使用时背包由使用者背于肩上，旱冰鞋穿戴于双脚上，控制手柄握于手上。背包和旱冰鞋通过电源线相连，控制手柄和背包通过数据线相连；背包可向旱冰鞋上的电机提供电源从而驱动其向前行进，控制手柄可向背包上的电机控制电路发出不同控制命令从而对行进过程中的速度、转向、刹车和离合进行控制。本发明整体空间占用较小、控制简洁高效，适合于人口稠密、交通繁忙及其他代步工具难以有效行进的场合。

Description

基于背包电源的旱冰鞋式电动代步工具

技术领域

本专利涉及一种简便的电动代步工具，尤其是涉及一种利用背包内的充电电池向装有电机的旱冰鞋提供电源以进行驱动，同时使用控制手柄对速度、转向、刹车和离合等进行控制的交通工具。

背景技术

如今，人们对交通工具的依赖越来越强。然而随着城市人口的急剧增加，交通拥堵问题也越来越严重。在这种情况下小尺寸的交通工具由于可以在更小的空间能行进显然具有更大优势。现在的小尺寸交通工具主要可以分为机动类、脚踏类和轮滑类三种，其中第一种的代表为摩托车和电动自行车，第二种为自行车，第三种为滑板和旱冰鞋。机动类工具虽然具有可远程行进且无需人力的优点但由于需要以复杂的动力机构为基础，使其整体尺寸难以大幅减小。脚踏类工具由于无需动力机构使其较机动类轻便，但其缺点为需要依靠人力进行驱动，在远程行进时对人的体力消耗较大。在所有代步工具中以轮滑类尺寸最小，它可以在狭小的过道甚至人员流动稠密的商场里行进，但其对人的体力和对轮滑的掌握程度要求较高，使其难以作为一种交通工具进行大范围推广。综合比较这几类交通工具可知所谓减小代步工具的尺寸主要是减小水平向的尺寸进而减小对地面的占用率，一个可行的办法就是将机构整体布置从水平向改为垂直向，使其在不丧失功能的情况下将地面的占用率降到最小。

直流电机的转速和加在其上的电压大小成正比。许多直流电机转速控制电路就是基于PWM信号来输出不同大小的电压来达到调速目的。而一些集成的直流电机控制芯片不但可以通过PWM信号来调速，而且还具备电机正转、反转、制动和空载的控制能力，这使得对直流电机的控制更加简便。

发明内容

针对目前交通工具在结构设计和驱动方式上存在的问题，本专利提出了一种将运动执行部分放置在脚下而将动力源部分背于肩上并将控制部分握于手上的新式代步工具，它使用直流电机进行驱动、充电电池作为动力源并使用电子电路进行运动控制。这种结构和动力设计使整个机构构成垂直式放置从而使其只占双脚大小的地面面积，并且使运动控制也更加简单。

本发明专利采用的技术方案是：

基于背包电源的旱冰鞋式电动代步工具，其特征是：正常使用时这种代步工具的动力源部分由使用者背于肩上，运动执行部分放置于使用者脚下，控制部分由使用者握于手上。

一种电动代步工具，其特征是：这种代步工具的动力源为一个装有充电电源和电机控制电路的背包、运动执行部分为固定有直流电机的旱冰鞋、控制部分为可输出开关和模拟信号的控制手柄；使用时背包由使用者背于肩上，旱冰鞋穿戴于双脚上，控制手柄握于手上。

一种电动代步工具，其特征是：背包和旱冰鞋通过电源线相连，控制手柄和背包通过数据线相连；背包可向旱冰鞋上的电机提供电源从而驱动其向前行进，控制手柄可向背包上的电机控制电路发出不同控制命令从而对行进过程中的速度、转向、刹车和离合进行控制。

应用于该代步工具中的电路设计，其特征是：这种代步工具在电路上主要由电源模块、运动执行模块、运动控制模块和单片机组成；电源模块可控制充电电池的充放电过程和向其他模块提供稳定电源及向外输出充电电源，运动执行模块主要基于PWM信号进行电机调速并控制电机运动状态，运动控制模块主要通过一些模拟和开关信号发生器件向单片机输出控制信号，单片机主要进行开关、模拟信号采集和产生用于左右电机调速的两路PWM信号及运动状态控制信号。

应用于该代步工具的运动控制方法，其特征是：通过一个模拟信号来控制PWM信号的占空比进而使位于旱冰鞋部分的直流电机获得不同大小的电压最后得以使旱冰鞋以不同速度前进，通过两个开关信号来控制行进过程中的转向，当左转开关信号使能时左脚电机转速小于右脚从而完成行进路线的左转，右转时刚好相反；通过一个开关信号控制电机的制动，一个开关信号控制电机的空载，并且在制动信号和空载信号同时有效的情况下控制电路将只响应制动信号。

该代步工具上的控制手柄，其特征是：控制手柄通过数据线与位于PCB板上单片机相连，其整体外观呈条状，主要由用于控制电机速度、方向、制动和空载的不同控制器件组成。

该代步工具上的控制手柄，其特征是：控制手柄默认由用户右手握持，数据线也从背包右侧引出，手柄上主要安装有直线电位器、方向拨杆、刹车按钮和离合按钮，分别用来进行速度、方向、制动和空载控制，其中直线电位器位于控制手柄的正面板上，其滑块可沿控制手柄长端方向上下滑动，方向拨杆位于控制手柄正面板的上端，刹车和离合按钮分别位于控制手柄侧面板右上端的不同位置；直线电位器由右手拇指操作，通过上下拨动其滑块可向单片机输入不同大小的电压模拟信号，单片机据此信号通过模数转换来决定输出的PWM信号占空比大小；方向拨杆通过右手拇指的左右拨动向单片机发出两个开关信号，单片机通过减小一方电机速度增大另一方电机速度的方式进行左右转向；刹车和离合按钮由右手食指操作，当刹车按钮和离合按钮按下有效时整个机构将分别处于制动和空载状态，刹车按钮和离合按钮有两种工作状态，一种为点按状态，即当按下时激发信号，松开则恢复原态，另一种为锁定状态，即按下按钮的同时沿垂直于按下方向的方向拨动按钮则该按钮将处于按下锁定状态，此时即便食指离开按钮也一直保持按下状态，反方向动作则恢复原态，如果使刹车按钮处于锁定则旱冰鞋将一直处于制动状态，而若离合按钮处于锁定则旱冰鞋将一直处于空载状态。

该代步工具上的旱冰鞋，其特征是：该旱冰鞋与普通双排轮子型旱冰鞋在外型上相似，但拥有更强的减震和更大尺寸的轮子；直流电机位于旱冰鞋后端，电机定子固定于旱冰鞋上而转子用来驱动旱冰鞋后轮，旱冰鞋后端还有一个用来连接电机电线插头的插座；旱冰鞋使用强力粘扣带来绑定双脚。

一种应用于该代步工具上的背包，其特征是：包中内嵌有充电电池和电源控制电路，并且电池和电路由较高强度硬质材料封装在一起并与包内其他区域有效隔绝；包上安装有一个电源插板，该插板上有一个输入电源接口和多个不同型号的输出电源接口，这些接口与电源芯片相连，外界直流充电器插头可插入输入电源接口以对背包内电池充电，一些需电设备也可以通过将其电源线插头插入输出电源接口从而从背包处获得直流电源；给电机供电的电机电线一端与背包内的电路板直接相连并最终从背包内引出，另一端为锁扣式插头，当将该插头插入电机插座旋转锁合后，插头与插座将形成可靠的电器连接，若与电机插座断开连接，则该插头还可以与电位器配合向有功率可变要求的其他电器输出可变的直流电源。

一种应用于该代步工具上的背包，其特征是：包内除电池和控制电路占用空间外还留有装载其他物品的空间，并且电源区域与储物区域相互隔离；该背包可像普通背包一样装载个人物品，而在不使用旱冰鞋时可以拔出电机电线插头使旱冰鞋和背包分离，然后将旱冰鞋装入背包内以便存放或背于肩上改为步行；包上缝制有用于隐藏和收纳电源插板、电机电线、控制手柄及其数据线的拉链袋，当将旱冰鞋装入包内并将所有电线和部件收纳于各自拉链袋后，该背包整体外观将与普通背包无异。

本发明专利可取得的有益效果是：

1.采用执行机构和动力及控制机构垂直布局的方式有效减少了地面占用率，使得使用者可以在狭小拥挤的空间内前进，可以在摩托车、自行车难以行进的地方使用。2.采用控制手柄的方式控制整体的行进速度、转向、制动和空载，使得使用者通过一只手的拇指和食指就能完成运动控制，与摩托车、电动自行车相比控制精简度较高。3.背包内留有充裕的装载空间，在使用者穿戴好该代步工具去上班或上课时可将书本或其他物品装入包内，而到目的地后取出装入物品将旱冰鞋装入包内。这种设计可以使背包兼具普通背包的作用同时使得整个机构即便在不使用时所占空间也非常小。当电池无电时该代步工具可以像普通旱冰鞋一样通过使用者的两脚搓滑前进，使用者也可将旱冰鞋收入包内背着背包步行。这种在使用时和非使用时极小的空间占用优势是摩托车、电动自行车、自行车全都无法比拟的，同时在机动和人力的切换方面该机构也明显的优于电动自行车。4.控制手柄上刹车按钮具有锁定功能，可在需长时间制动的情况下置于刹车锁定状态，当处于刹车锁定状态时旱冰鞋前后移动被限制，此时使用者甚至可以穿着旱冰鞋正常行走。同样离合按钮也有刹车锁定功能，当置于锁定状态时使用者可以像普通旱冰鞋一样通过两脚的搓滑前进，以节省电池电量。5电路板上有外置输出电源接口，可以通过该接口为手机等电子设备充电，使得背包电源可以当大型的移动电源使用，而在不向旱冰鞋部分供电的情况下，PWM模块的存在使得背包电源可以通过电位器的配合充当可变功率的电源，这种在稳定直流和可变直流方面的优势可以使得背包电源在旅行和野外时兼有移动电源的功能，做到一包多用。6采用插头连接的方式便于旱冰鞋和背包的拆装，而连接旱冰鞋和背包的电机电线插头采用锁扣插头，这种插头与普通插头相比可在运动过程中防止插头与插座脱离，使电气连接牢固可靠。旱冰鞋使用强力粘扣带来固定双脚，这与鞋带式固定方式相比操作更加简便，可以使使用者在穿鞋的情况下做到对旱冰鞋的快速穿戴。 

附图说明

图1是使用效果示意图（电池和PCB板剖视）。

图中1.背包，2.电池，3.电机电线收纳拉链袋，4.控制手柄和数据线收纳拉链袋，5.PCB板，6.数据线，7.电机电线，8.背带，9.控制手柄，10.旱冰鞋。

图2是硬件电路框图。

图3是背包部分示意图（控制手柄放大画出)。

图中1.背包，2.外壳，3.充电电池，4.电源插板，5.输入电源线，6输出电源线 ，7.锁扣式插头，8.左右电机线，9.PCB板，10.数据线，11.调速直线电位器，12.方向控制拨杆，13.刹车按钮，14.离合按钮。

图4是电池和控制电路板下置式背包部分示意图（主视图和左视图）。

图中1.背包，2.储物空间，3.充电电池，4.PCB板，5.背带 。

具体实施方式

 如图1所示，正常使用时背包（1）由使用者背于肩上，而旱冰鞋（10）穿戴于使用者双脚上，控制手柄（9）由使用者手持。背包通过电机电线（7）向旱冰鞋提供驱动电源，而控制手柄通过数据线（6）来与背包连接。电机电线的插头为锁扣式插头（图3中7），当该插头插入位于旱冰鞋上的插座后可通过旋转其上的锁扣套使插头与其插座牢固锁合，而需要断开连接时反方向旋转而后拔出插头即可。控制手柄数据线指代6根排线，其中一根为给各线性和开关器件供电的电源线，一根为模拟信号线，其余4根为开关信号线。

就充电电池和PCB板在背包内的位置来看主要有侧置式和下置式两种实施方式。如图1中背包剖视和图3所示，当侧置时，电池和电路板呈方饼状占据背包靠近使用者背部的整个区域，而背包其他空间为储物区域，电池和电路板区域与储物区域通过海绵帆布彼此隔离。如图4所示，当下置时，电池和电路板则占据背包下部区域，而背包上部为储物区域，同样电池和电路板区域与储物区域彼此隔离。侧置式和下置式在控制手柄、电机电线以及充电和外接输出端口形态方面基本没有区别，因而图4中将这些器件省略未画，具体可参照图3中相关器件示意图去理解。

图2所示硬件电路框图中，电源插板、电源芯片和充电电池组成了电源模块。其中电源芯片控制电池充电和放电过程，同时为单片机、控制手柄、电机控制芯片提供相应的稳定直流电源。电源芯片既接受外部输入电源也可向外输出电源：外接直流充电器插头可插入电源插板（图3中4）通过输入电源线（图3中5）向电源芯片提供充电电源从而对电池充电；而在电池电量充裕的情况下，外部电器也可以将其电源插头插入电源插板通过输出电源线（图3中6））从背包处获得充电电源，使背包兼具移动电源的功能。电源插板上除了有一个输入电源接口外还有USB等多个不同型号的输出电源接口，可供不同接口型号的设备充电使用。电源插板位于背包左侧，控制手柄数据线从背包右侧引出，而两根电机电线从背包中间位置引出，如图3所示。

图2所示硬件电路框图中，电机控制芯片和两个直流电机组成了运动执行模块，其中电机控制芯片的作用为进行PWM信号的功率放大和电机状态控制。电机控制芯片需要同时控制两个直流电机的运动状态，它从单片机处获得两路PWM信号，将其进行功率放大后输出到两个电机用于电机的调速。在正常向前行进时，电机控制芯片获得的两路PWM信号相同，以使两个电机以相同速度直线前进；而当转弯时，位于内侧电机的PWM信号小于外侧，以使内侧电机转速小于外侧从而完成曲线转弯。电机控制芯片可控制电机的制动、空载、正传和反转四个状态，由于本发明只牵扯到运动的停止、空载和前进，因而反转状态舍弃不用。

图2所示硬件电路框图中，控制手柄和其数据线构成了运动控制模块。控制手柄主要向单片机提供四路开关信号和一路模拟信号。左转信号和右转信号由图3中控制手柄的方向控制拨杆（12）的左右拨动来发出。拨杆的实际形态与玩具遥控车控制手柄的拨杆类似，其运动方向如图3控制手柄左侧箭头所示。实际制造时拨杆也可使用两个按钮代替。制动信号和空载信号分别由图3中刹车按钮（13）和离合按钮（14）发出。当刹车按钮和离合按钮按下有效时整个机构将分别处于制动和空载状态。刹车按钮和离合按钮位于控制手柄的侧面。当按下刹车和离合按钮时将向单片机发出两个开关信号，单片机进而向电机控制芯片发出相应命令进行旱冰鞋的制动和空载控制。此外当按下其中任意一个按钮的同时向垂直于按下方向的方向拨动按钮则该按钮将处于按下锁定状态，如果使刹车按钮处于锁定则旱冰鞋将处于制动锁定状态，将一直限制旱冰鞋的前后移动，而若离合按钮处于锁定状态则，旱冰鞋将一直处于空载状态。按钮锁定的动作方向如图3按钮旁箭头所示。速度模拟信号由图3中调速直线电位器（11）发出，通过电位器滑块的上下滑动向单片机输入不同大小的模拟电压信号，单片机据此发出不同占空比的PWM信号，根据直流电机转速和电压大小相关的原理，不同占空比的PWM信号代表了不同大小的电压即不同的转速，以此实现对电机速度的调节。

图2所示硬件电路框图中，单片机作为控制中心完成控制数据采集和执行数据的输出。本发明所采用的单片机指自带AD转换模块和具有至少两路PWM信号输出能力的单片机，但该单片机也可由一般单片机配合AD转换芯片和PWM芯片联合使用来代替。

Claims (10)

1.基于背包电源的旱冰鞋式电动代步工具，其特征是：正常使用时这种代步工具的动力源部分由使用者背于肩上，运动执行部分放置于使用者脚下，控制部分由使用者握于手上。

2.根据权利要求1所述的代步工具，其特征是：这种代步工具的动力源为一个装有充电电源和电机控制电路的背包、运动执行部分为固定有直流电机的旱冰鞋、控制部分为可输出开关和模拟信号的控制手柄；使用时背包由使用者背于肩上，旱冰鞋穿戴于双脚上，控制手柄握于手上。

3.根据权利要求2所述的代步工具，其特征是：背包和旱冰鞋通过电源线相连，控制手柄和背包通过数据线相连；背包可向旱冰鞋上的电机提供电源从而驱动其向前行进，控制手柄可向背包上的电机控制电路发出不同控制命令从而对行进过程中的速度、转向、刹车和离合进行控制。

4.根据权利要求2所述的代步工具，其特征是：这种代步工具在电路上主要由电源模块、运动执行模块、运动控制模块和单片机组成；电源模块可控制充电电池的充放电过程和向其他模块提供稳定电源及向外输出充电电源，运动执行模块主要基于PWM信号进行电机调速并控制电机运动状态，运动控制模块主要通过一些模拟和开关信号发生器件向单片机输出控制信号，单片机主要进行开关、模拟信号采集和产生用于左右电机调速的两路PWM信号及运动状态控制信号。

5.一种应用于权利要求2所述的代步工具的运动控制方法，其特征是：通过一个模拟信号来控制PWM信号的占空比进而使位于旱冰鞋部分的直流电机获得不同大小的电压最后得以使旱冰鞋以不同速度前进，通过两个开关信号来控制行进过程中的转向，当左转开关信号使能时左脚电机转速小于右脚从而完成行进路线的左转，右转时刚好相反；通过一个开关信号控制电机的制动，一个开关信号控制电机的空载，并且在制动信号和空载信号同时有效的情况下控制电路将只响应制动信号。

6.根据权利要求2所述的控制手柄，其特征是：控制手柄通过数据线与位于PCB板上单片机相连，其整体外观呈条状，主要由用于控制电机速度、方向、制动和空载的不同控制器件组成。

7.根据权利要求6所述的控制手柄，其特征是：控制手柄默认由用户右手握持，数据线也从背包右侧引出，手柄上主要安装有直线电位器、方向拨杆、刹车按钮和离合按钮，分别用来进行速度、方向、制动和空载控制，其中直线电位器位于控制手柄的正面板上，其滑块可沿控制手柄长端方向上下滑动，方向拨杆位于控制手柄正面板的上端，刹车和离合按钮分别位于控制手柄侧面板右上端的不同位置；直线电位器由右手拇指操作，通过上下拨动其滑块可向单片机输入不同大小的电压模拟信号，单片机据此信号通过模数转换来决定输出的PWM信号占空比大小；方向拨杆通过右手拇指的左右拨动向单片机发出两个开关信号，单片机通过减小一方电机速度增大另一方电机速度的方式进行左右转向；刹车和离合按钮由右手食指操作，当刹车按钮和离合按钮按下有效时整个机构将分别处于制动和空载状态，刹车按钮和离合按钮有两种工作状态，一种为点按状态，即当按下时激发信号，松开则恢复原态，另一种为锁定状态，即按下按钮的同时沿垂直于按下方向的方向拨动按钮则该按钮将处于按下锁定状态，此时即便食指离开按钮也一直保持按下状态，反方向动作则恢复原态，如果使刹车按钮处于锁定则旱冰鞋将一直处于制动状态，而若离合按钮处于锁定则旱冰鞋将一直处于空载状态。

8.根据权利要求2所述的旱冰鞋，其特征是：该旱冰鞋与普通双排轮子型旱冰鞋在外型上相似，但拥有更强的减震和更大尺寸的轮子；直流电机位于旱冰鞋后端，电机定子固定于旱冰鞋上而转子用来驱动旱冰鞋后轮，旱冰鞋后端还有一个用来连接电机电线插头的插座；旱冰鞋使用强力粘扣带来绑定双脚。

9.一种应用于该代步工具上的背包，其特征是：包中内嵌有充电电池和电源控制电路，并且电池和电路由较高强度硬质材料封装在一起并与包内其他区域有效隔绝；包上安装有一个电源插板，该插板上有一个输入电源接口和多个不同型号的输出电源接口，这些接口与电源芯片相连，外界直流充电器插头可插入输入电源接口以对背包内电池充电，一些需电设备也可以通过将其电源线插头插入输出电源接口从而从背包处获得直流电源；给电机供电的电机电线一端与背包内的电路板直接相连并最终从背包内引出，另一端为锁扣式插头，当将该插头插入电机插座旋转锁合后，插头与插座将形成可靠的电器连接，若与电机插座断开连接，则该插头还可以与电位器配合向有功率可变要求的其他电器输出可变的直流电源。

10.根据权利要求9所述的背包，其特征是：包内除电池和控制电路占用空间外还留有装载其他物品的空间，并且电源区域与储物区域相互隔离；该背包可像普通背包一样装载个人物品，而在不使用旱冰鞋时可以拔出电机电线插头使旱冰鞋和背包分离，然后将旱冰鞋装入背包内以便存放或背于肩上改为步行；包上缝制有用于隐藏和收纳电源插板、电机电线、控制手柄及其数据线的拉链袋，当将旱冰鞋装入包内并将所有电线和部件收纳于各自拉链袋后，该背包整体外观将与普通背包无异。

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