CN105209332B - 撑杆推进的脚踏车 - Google Patents

Abstract

一种两轮串置车辆由手握式撑杆推进。前部件上的前轮和后部件上的后轮沿纵向轴线对齐。前部件绕竖直转向轴线旋转。鞍座和脚蹬支承骑乘者并且允许骑乘者平衡并使装置转向。骑乘者的手始终不接触车辆，而是用来使用撑杆推进车辆。

Description

撑杆推进的脚踏车

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年3月15日提交的美国临时申请No.61/792,921的权益，该临时申请的公开内容—包括所有附图、表格和图表—整体并入于此作为参考。

与联邦资助的研究或开发有关声明

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合作研究协议的团体名称

不适用。

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

不适用。

与发明人或合作发明人的在先公开有关的声明

不适用。

技术领域

本发明涉及一种脚踏车(脚蹬两轮车)—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

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WO932588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、1,425,220、1,619,668和2,216,982)。也可使用单个(美国专利1,052,722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。

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。

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—其与该过程高度一体化—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。

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—但未发现哪种观点宣布这不可能—不过，发明人可以断定，迄今为止尚未成功地证实这一点。

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。

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—其可趋于使它绕转向轴线转动—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。

“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。

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。

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—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。”

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—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—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。

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—其沿转向轴线枢转地固定在车辆上—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”。

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。

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》—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。

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—“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”—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—包括Sharp和100多年前的三名其他专家的文献—来支持该发现。

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

本发明涉及一种脚踏车—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

图1是本发明的车辆的一个优选实施例的侧视图。

图2是图1所示的车辆的优选实施例的正视图。

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。

图4是本发明的车辆的另一个优选实施例的侧视图。

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。

图6是本发明的车辆的另一个优选实施例的侧视图。

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

概念

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—包括滑雪板、滑冰板、滑板、自行车和滑板车—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，并且可容易地携带—例如上楼或下楼。

本发明的一个特别重要的特征是：该车辆可在两种模式中的任一种模式下操作：它可被骑行或可走行。而且正如看到被搭乘携带的滑板那样，同样预见该车辆将容易被看作“走行”搭乘。这意味着与行人共用人行道，就像滑板车。因此，在走行模式或骑行模式下以步行速度和更慢的速度运行是本发明的一个重要目标。它在慢跑和奔跑速度下也以任意模式很好地工作，使得它对于在附近的街道和自行车道上骑行而言很理想。通过这种由一对手握式撑杆推进的看上去有点熟悉的设备的奇特组合形成的新骑乘方法具有迄今为止不曾预料的自然操控性。

在骑乘过程中，由于不利的骑乘条件或任何原因，骑乘者可能希望通过在其走行模式下使用车辆来继续步行。骑乘者然后可通过在用一只手向前推车的同时在车辆的旁边步行来前进。这是最自然的过程。在步行时，骑乘者可以将撑杆携带在一只手中—或将它们置于附接在车辆上的特殊保持器中—同时用另一只手抓住鞍座并在滑行的脚踏车旁边步行或奔跑。骑乘者通过对鞍座进行简单的扭转运动来转向。该脚踏车即时和精确地响应于这些命令而不以任何方式干扰使用者的步行或慢跑。该自转向脚踏车能以此方式自信地“走行”而不需要看着它或看路。它的大直径前轮和轻重量允许它很容易在小路或其它非铺装路面上“走行”。

骑乘者的与众不同的站姿将本发明与其它两轮车区分开：骑乘者抓住撑杆身躯直立地坐在就坐位置；大腿在臀部处向前弯曲，小腿以接近竖直的位置在膝盖处向下弯曲，脚放置在附接于车辆的任一侧的脚蹬上。骑乘者的手臂和手完全与撑杆接合：上身根本不与车辆接触。从腰部往上骑乘者像野外滑雪者，而实际上利用类似的手臂运动和上身动作向前移动，初看就是这样。然而，从腰部往下，骑乘者看上去将更像在马背上，由鞍座和脚蹬支承，以下肢迫压在框架上的方式跨坐该脚踏车。撑杆的主要目的可以是推进，不过，正如滑雪者不会试图不使用他们的撑杆滑雪那样，骑乘者不会想不到撑杆的安全用途。

两轮串置车辆

采用撑杆作为推进装置理想地适用于两轮串置车辆。出乎意料地，许多因素有助于它们成功用于此目的。骑乘者面向前方的直立站姿和关于行驶方向的稳定位置两者都是关键因素。车辆的狭窄车身(tract)适宜于杆支撑—也就是说，通过手握式撑杆的推动动作向前推进该脚踏车。骑乘者可使他们的身躯偏向一边以扩展他们的前后可达范围，同时向撑杆施加变化的力量，或一次使用一根撑杆或同时使用两根撑杆划动而不干扰脚踏车的运行。而且，骑乘者的身体本身—其肩膀比臀部宽—以及沿行驶方向弯曲和旋转的手臂适合该任务。车辆具有优良的(惯性)滑行能力的事实是一个必要条件。

另一方面，两轮串置车辆固有地不稳定且无法自行保持直立。它的运行在所有轮式车辆之中也是最难理解的，这使得可成功地适合杆支撑的车辆成为有挑战性的选择。本发明的独特骑行部分地源自车辆的两轮串置构型的操纵特性，且主要由于该原因而选择该基本形式。因而，众所周知，必须处理该类型的车辆特有的两个关键因素—平衡和稳定。平衡可被视为与骑乘者保持移动的车辆直立的能力相关的因素；而稳定在此与骑乘者使他们的身体在移动的车辆自身上稳定的能力相关。这两个因素互相关联；两者不能独立地发生；并且骑乘者对车辆的设置和操作的每个方面受它们影响。而且，因此，本发明是这两个关键因素的成功解决的结果。

发明人已确定，所述平衡和所述稳定可以在不使用车把操作两轮串置车辆的同时实现；并且可以通过骑乘者对手持式撑杆的使用以及独立于手持式撑杆的使用一并实现这一点；而且在特定条件下，或在特定情况下，或在特定操控期间，在否则不会实现的情况下，可利用骑乘者对手持式撑杆的使用的辅助或与其相结合地实现这一点。谈到骑乘者对撑杆的使用意味着：骑乘者的上身经由一对手持式撑杆与地面或道路进行间歇的接触；而且，尽管撑杆的主要功能是通过施加平行于车辆的行驶方向延伸的推进动作来向前推进车辆，但骑乘者可由于推进以外的原因而执行包含使用撑杆的其它动作，例如骑乘者可执行的与所述平衡有关并且可辅助使车辆转向的那些动作，如本文中公开的。

谈到两轮串置车辆或构型或两轮车这里意味着：具有两个串联车轮—也就是说一个车轮跟随另一个车轮—和承载骑乘者的重量或质量的两个结构件的脚踏车：前轮12附接在其上的前部件10和后轮16附接在其上的后部件14。前部件在转向管17处枢转地连接到后部件。更技术性地描述：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其上并沿纵向轴线L对齐；前部件可绕大致竖直的转向轴线S旋转；转向轴线与纵向轴线相交而限定出平面P；后部件14位于该平面上并沿转向轴线与前部件10接合。重要的是注意两轮串置车辆的设置—也就是说骑乘者相对于车辆的位置—是根本性的：骑乘者的重量由两个车轮的轮轴18a、18b承载并且大部分被保持在二者之间；且骑乘者的重量均匀地分布—也就是说在横向(侧向)方向上平衡—在车辆的纵向轴线的两侧，骑乘者跨坐这种车辆就会是这种情况。

使用撑杆

轮式车辆的运行是通过它们经由它们的车轮与路面的连接来控制的。在三轮或四轮车辆中，使用者与道路之间的交互是直接的并被认为是理所当然的。然而，在两轮串置车辆中，这种交互由于操作者保持车辆平衡直立所需的主动参与而复杂。在本发明中，操作者与车辆之间的关系由于撑杆24的使用而更加复杂，撑杆24的使用引入了与路面的附加连接。结果，操作者与道路之间存在两个分开和独立的控制通道：一个控制通道通过骑乘者的下肢经由两个车轮实现，该控制通道部分地由骑乘者的脚和腿控制；而另一个控制通道通过骑乘者的上身经由手握式撑杆实现，该控制通道部分地由骑乘者的手臂控制。

可能难以设想骑乘者为了骑乘该脚踏车而必须执行的看似不相关的移动的协调。对于自行车设计方面的技术人员而言，可能看上去在两轮串置车辆中使用一对手握式撑杆作为推进装置将是不切实际的，并且容易过度复杂化并且妥协其操作。发明人已证实，对于本文中作为优选实施例描述的两轮串置车辆，情况并非如此。撑杆的使用并不干扰所述平衡或所述稳定，并且事实上，撑杆的使用会有益于并且扩展所述车辆的功能和性能。而且，最相关的是，发现在两轮串置车辆中使用撑杆作为推进装置或用于扩展车辆的功能或性能的目的是直观的。

撑杆的使用在处于车辆速度范围的下端的速率下尤其是有利的，其中它们可以部分参与车辆的转向并在某些操控中协助骑乘者。例如，在准备掉头时，骑乘者可使用撑杆来帮助保持车辆直立，由此升高其质心以便骑乘者然后可以使车辆向其纵向轴线的相反侧倾斜。或者，在另一种操控中，撑杆可用于防止车辆在急转弯的执行期间向内跌落，在急转弯时车辆可能使半径锐化，这是其它两轮串置车辆中公知的现象。这种情况下，骑乘者将倚靠在朝向弯道内侧的撑杆上，并由此防止车辆跌落。可能要注意，在这些示例中，撑杆用于产生垂直于行驶方向的力，且因此说明撑杆事实上可用于推进之外的功能。

此外，发明人还证实了，当在优选实施例的模型上滑行时，随着该脚踏车的速度降低，存在这样一个速率：在该速率之下骑乘者在不借助于撑杆的情况下无法维持他们的平衡。在可向下扩展到车辆几乎静止的情况的该速率之下，骑乘者能以可防止该脚踏车在它大致直线向前行驶时向一侧或另一侧跌落的方式使用撑杆。因此，应当注意，借助于撑杆，该脚踏车能在与两轮串置车辆的模式不一致的模式下操作。根据已经发现的事实，看来推定骑乘者稍作练习就可学会以能增加其它两轮车辆中在慢速下不可能实现的操控尺度的方式操纵撑杆是合理的。此外，发现撑杆在开始和结束骑行时特别有用，在这些时间段可替代为人行道上的“脚”，因此骑乘者真正的脚可保留在脚蹬上。

稳定和平衡

为了帮助大家理解操作该车辆时所牵涉的动力学，影响所述平衡和所述稳定的车辆上承受的力可关于车辆的纵向轴线进行区分，车辆的纵向轴线与行驶方向紧密相关。与车辆的纵向轴线对齐的力或力分量不会使车辆倾翻。最终结果是：所述稳定—也就是骑乘者通过能按需将他们的身体牢固地附于车辆上而保留在车辆上的能力—和所述平衡—也就是骑乘者保持车辆直立的能力—仅受横向方向上的力影响，该力垂直于车辆的纵向轴线。因此，车辆和骑乘者承受的力，例如重力、风力或变化的路况导致的应力，不论该力的方向如何，仅仅会使车辆侧倾。

如果能解决所述稳定问题，则基于车辆的两轮串联构型及其设置，所述平衡变成车辆的固有功能，藉此使骑乘者能够通过在他们感觉到他们正在跌落的方向上使车辆前轮向一侧或另一侧稍微枢转来自发地“掌握他们的平衡”。想起扫帚在人手掌上竖直地平衡，其必须沿其开始跌落的方向连续移动以便维持其平衡。在两轮串置车辆的情况下，要实现这一点需要向前移动；并且还存在与其特定设计相关的最低向前速率，因为在所有两轮车中，低于该速率骑乘者难以保持他们的平衡。在未包括转向的主题的情况下不会再讨论所述平衡，这两者在文中一并详细说明。

另一方面，所述稳定在没有车把的情况下是有问题的。以前的两轮串置车辆全都依赖于车把来将骑乘者稳定在车上。在本发明中，某种另外的装置必须履行此功能，且其设计一般而言将需要保证骑乘者可以在操作车辆时安全地保持搭载，如文中所述，并且在所有情况下在杆支撑的同时搭载，包括开始和停止，以及在变化的路况下操控。骑乘者的下肢需要提供该关键支持，也就是骑乘者的身体在车辆上的稳定，而同时执行转向和维持车辆平衡所需的对车辆前轮进行的细微操纵。这些看似不兼容的功能说明了为何该概念对稳定提出质疑。

发明人已确定，骑乘者的身体重量支承在车辆上可以采用骑乘者的下肢来实现；并且这可以通过使用位于骑乘者身体上的三个点—即臀部和双腿和/或双脚处—的支撑装置来完成。根据本发明，鞍座20和脚蹬22是可用于此目的的支承装置。根据本发明，在正常骑行时，骑乘者维持这三个点与支承装置之间的恒定接触。在特定条件下，或当进行特定操控时，尤其在一根或两根撑杆24正与道路进行接触的时间段，骑乘者的重量的变化量可在三个支承装置之间或三个支承装置中的一个或多个与一个或另一根撑杆或两根撑杆之间移位。

根据本发明，臀部和脚是骑乘者的身体上与车辆接合的主要接触点；并且在车辆被骑行期间，它们维持与车辆接触。然而，可采用骑乘者的身体的其它部位来协助和辅助骑乘者将他们的身体稳定在车辆上。骑乘者的身体与车辆之间的这种附加接触对于所述主接触点来说将是辅助的或补充的。而主接触点被动与支承装置接合，以便将骑乘者的质量支承在车辆上并由此抵消重力，采用骑乘者身体上的辅助接触点需要主动接合，也就是骑乘者肌肉的收缩，以便与辅助接触装置接合，并且由此可抵消横向力。当辅助接触装置这样接合时，骑乘者的下肢与车辆形成刚性连接，通常需要该刚性连接以提供所述稳定。在这方面，辅助接触装置的使用可以是临时的和间歇的，即使骑乘者身体的与这种装置接合的部位在临时采用它的任务完成之后保持与辅助接触装置接触。

辅助接触装置的目的是为骑乘者提供可帮助骑乘者对抗车辆上的临时不稳定状态的与车辆的附加连接，其中单独使用脚蹬和鞍座可能还不够。例如，脚转向或杆支撑产生的转矩或急转弯可能带来的瞬时横向不稳定状态会是这样的情况。例如，可采用骑乘者的膝盖或大腿作为处理这些类型的状况的辅助接触点。例如，辅助接触装置26可位于转向管17的任一侧，它具有适贴大腿内侧和/或膝盖的表面，骑乘者在需要时可贴靠着该表面压紧或夹紧他们的大腿或膝盖。鞍座的前部也可出于该相同目的在骑乘者的大腿之间向前伸展。不论哪种方式，骑乘者都可在片刻之间与车辆上的五个接触点—即两个脚蹬22、鞍座20和辅助接触装置26的两个膝盖或大腿迫压点—接合并由此使他们的身体在车辆上稳定。

应当注意，作为转向管处的所述辅助接触装置的替代方案或附加于该方案，可通过在骑乘者的上身与车辆之间增加辅助接触来改善稳定性。例如，鞍座的前部可在骑乘者的腿之间向上延伸以形成支架，其上附接有使骑乘者能使他们的腹部或胸部与之接合并由此形成骑乘者与车辆之间的刚性连接的装置。这种装置不会干涉骑乘者使用撑杆的能力，也不会干扰车辆的上车，上车可以从后面完成。尽管这种辅助接触的目的主要是改善骑乘者的横向稳定性，但它可保护骑乘者以免在突然停车或碰撞期间受伤。还应当注意，用于制动器28使车辆停止或减速的致动器可以结合在用以实施辅助接触的装置中或成为其一部分。

重要的是认识到，关于所述稳定，骑乘者对脚蹬的使用并不等同于车把的使用。脚蹬存在明显的缺点。与由非常敏捷的手臂-手组合控制的车把不一样，脚蹬与较迟钝的腿-脚组合接合。后者的在使骑乘者的身体在车辆上稳定方面的解剖缺陷还存在其它挑战。使手臂-手组合能在推拉两种动作中接合并且是用于将骑乘者支撑在所有其它两轮型车辆中的主要能力的手握功能非本发明通过骑乘者下肢的采用所能比拟。尽管骑乘者对鞍座、脚蹬和辅助接触装置的一并使用不可能完全补偿车把的缺乏，但所实现的稳定足以在本发明的预期速度范围内骑车。

不过，作为上肢的替代的下肢的不足之处不会引起车辆的障碍，尽管所施加的局限性可能很明显。本发明的用途是休闲，且因此车辆的操作和其它特征不必等同于可能具有其它用途的其它车辆的性能要求。像慢速操作和不常用的操控性这些特点意在对本发明增加趣味性并使其使用有趣。然而，应当注意，骑乘者对撑杆的使用在一定程度上弥补了此缺陷；并且在车速慢的情况下，撑杆能以车把无法实现的方式辅助骑乘者，并由此扩展该脚踏车的低速操纵特性。

转向和质量

重要的是认识到，在两轮车中，车辆的所述平衡和转向实际上在同一过程中一并进行。该脚踏车并非在与其它具有三个或四个车轮的车辆—其中操作者可通过针对这种目的使用机械装置来精确地控制车辆的方向—相同的意义上转向。该脚踏车由骑乘者更间接地转向或驱促以沿期望方向前进，实际路线并非直线，而是基于且继发于所述平衡。发生这种情况的过程包含骑乘者的重量与对车辆前轮角度的直接操纵—其在本发明之前通过车把的使用来完成—相结合的横向移位。在所述过程中，骑乘者和脚踏车成为一体，并且在使车辆转向的复杂操控—也就是保持车辆以免跌落并沿期望方向前进—中作为两个部分一起工作。骑乘者的影响细微而直观，并且难以量化；但很明显骑乘者的质量和肢体语言起到重要作用。

骑乘者的质量比脚踏车大许多倍；因此，根据骑乘者关于车轮的位置，各车轮支撑的质量会存在明显差别。这可以是两轮车的操纵中的一个重要因素。不过，在自行车的悠久历史中，支承骑乘者的质量的主要份额的鞍座几乎位于其全部长度上：从自行车早期的“高轮车”设计中紧邻前轴到某些斜倚设计中接近后轮轴。大多数情况下，其位置基于踏板曲柄的位置，即使该位置已引起骑乘者的质量不是很理想地作用在车辆上。此外，骑乘者的质量会绕车辆移动：例如，当站立在一个踏板上时，可以采用能引起骑乘者的重量横向移位的方式使用踏板曲柄。此外，骑乘者施加在车把上的重量或在车把上施加的力也可变化，这会引起质量在车轮间移位。

在自行车上，借助于车把，骑乘者能克服他们的质量的不太理想的作用或他们的质量相对车辆的四处移位带来的缺点。通过车把的使用来支配平衡和转向的过程；而骑乘者的质量起次要作用。然而，在本发明中，骑乘者的质量在该脚踏车上不太理想的分布或该质量在车辆操作期间的四处移位会使所述平衡和转向复杂化并干扰所述平衡和转向，如文中所述。根据本发明，骑乘者的质量由鞍座和脚蹬在大致固定的位置支承在该脚踏车上；并且借助于辅助接触装置，它可在横向上进一步稳定，并被支撑在该固定位置；因此，骑乘者的重量的由各车轮承载的部分在该脚踏车操作期间或多或少保持恒定。

根据本发明，脚蹬和鞍座在脚踏车上的位置决定骑乘者的质量在车轮之间的分布；并且脚蹬和鞍座在车辆上的布置对于脚踏车的操作和性能来说会是关键的，如文中所述。应当指出的是，骑乘者放置腿和脚的位置不受约束，不像例如踏板曲柄决定骑乘者的腿和脚的位置的自行车的设计中施加的约束。因此，鞍座和脚蹬的位置与任何其它两轮串置车辆—例如被已知为“高轮车”的自行车的早期设计或其现代构型—的任何相似度或平行度是一致的。然而，与自行车的情形中一样，关于车辆的操作，鞍座在脚踏车上的位置次于骑乘者的腿和脚的功能。

在本发明中的脚踏车的控制中，骑乘者的质量的意义在于，它与围绕脚踏车的转向轴线的转矩的形成有关。所述转矩是发生所述平衡和转向的过程中的主要因素。重要的是理解，在所述过程中，转向轮的方向的控制和确定取决于可导致转向轮绕转向轴线枢转的多个因素，最明显的因素是由骑乘者的脚导致的脚蹬的移动。围绕转向轴线的转矩也可导致转向轮枢转。当骑乘者向一旁倾斜他们的身躯时，脚踏车也倾斜；并且脚踏车的前部件的倾斜会产生所述转矩。将骑乘者的质量保持在固定位置并且保证它可被刚性地保持在后部件上防止了转矩由于前轮上移动的重量而变化。

根据本发明，转向轮与地面的接触点上承受的质量可以是绕转向轴线的转矩的产生的一个主要因素，因此，该质量可以是脚踏车的转向和平衡的关键因素。此外，所述转矩可被分化成两个分量，两者都依赖于并利用所述质量或其一部分。所述转矩的第一分量是所述质量的总重量的函数。所述转矩的第二分量仅仅是所述质量的重量的随着转向轮枢转的该部分的函数；并且该质量与位于转向轴线前方的质心相关。应当指出的是，脚踏车的后轮承载的质量对所述转矩无影响。

发明人已确定，如文中作为优选实施例所述的两轮串置车辆的所述平衡和转向可部分通过使用骑乘者用以操纵和控制绕转向轴线的转矩的技术来实现。利用该技术，转向轮的方向—也就是转向角—可通过骑乘者的身躯和脚的协调动作连续改变；并且这样一来，可维持车辆的平衡和路线。特别地，所述转矩响应于骑乘者使他们的身躯相对于脚踏车的纵向轴线倾斜的程度；并且可修改—衰减或增强—该响应，尽管利用骑乘者的脚来操纵前部件。

车辆布局

根据本发明，骑乘者在车辆上的位置由鞍座和脚蹬的位置决定。鞍座被固定在后部件上方的位置，大部分两轮串置车辆都如此。对于脚蹬，可以在将它们定位在前部件或后部件上之间进行选择。早期的前轮驱动自行车和现代的后轮驱动自行车表明，脚蹬可安装在任意部件上而不妥协车辆的两轮串联构型。根据本发明的原理可应用于具有任意布置的车辆，尽管它们的设计和可能地它们的操作特性将不同。在任意布置下，骑乘者将维持相同的站姿和撑杆的使用。而且，与辅助接触装置有关的那些评论也可适用，将这些装置附接在转向管上—这将仅适用于前一种情况—除外。

将脚蹬设置在前部件上相比于定位在后部件上具有明显的优势且因而是优选的。在实践中，在后一种情况下，骑乘者使用他们的脚来控制转向轮的枢转将经由位于车辆的车轮之间的机构间接地完成，这将需要将它连接到转向叉21的联动装置30。这种机构可能不好用且其与前部件的连结会是脆弱的。通过将脚蹬设置在前部件上，将消除该机构和联动装置两者。此外，这样一来，将带来两个非常重要的益处：骑乘者的质量可转移；并且车辆的轴距可缩短，因为用于骑乘者的腿和脚的空间将不必被指定在两个车轮之间。这些益处改善了所述平衡和转向。

不过，脚蹬位于其车轮之间的撑杆驱动的两轮串置车辆是可行的。图6示出这种车辆的概念。在此例中，骑乘者的脚可通过它们使脚蹬的前部32相对于脚后跟搁置在其上的后支承桩板(peg)36的上下移动来控制转向轮的枢转。注意，为了使转向轮偏离其直接向前的取向，要求两个脚蹬的前部的往复运动以使转向轮向右转动，右脚向下转动，而左脚向上转动。或者，可采用通过骑乘者的脚的前-后运动而操作的机构和联动装置。在任意情形中，尚未判定这种运动是否可由这种车辆的骑乘者直观地执行。尽管其脚蹬附接在其后部件上的车辆处于本发明的范围内，但为了清楚起见，本文中的所有评论应当特别适用于脚蹬附接在前部件上的车辆形式，即使这些评论也可适用于其它车辆。对本发明中的脚踏车或脚踏车的模型或优选实施例的讨论应当针对于脚蹬附接在前部件上的情形。

通过将脚蹬设置在前部件上，骑乘者的质量可位于脚踏车上比否则可能的位置更在前方的位置处。骑乘者的质量越在前方，使该重量在横向上四处移动就越容易且越快，且因此骑乘者越容易维持他们的平衡。应当注意，脚踏车对转向角的变化的响应越快，脚踏车可以运行的速度越慢。轮距的缩短很有意义，因为它有助于脚踏车的慢速骑行能力，如文中所述。应当注意，可通过减小后轮的直径来进一步缩短轮距，由此使轮轴18a、18b更加靠近。还应当注意，轮距越短，脚踏车对使用者的手在步行模式期间的扭转命令的响应越快。

在优选实施例中，骑乘者的腿相对于转向轮的位置是一个重要考虑因素。由于鞍座在后部件上的前方位置，并且由于鞍座的高度在转向轮上方，骑乘者的大腿可向前伸展到转向轮的顶部上方，从而使它们或多或少是水平的，并由此将膝盖置于转向管的前方。这允许骑乘者的腿定位成使得它们在转向轮向左或向右枢转时不会干扰转向轮。膝盖可通过辅助接触装置分开，所述辅助接触装置可位于转向管的任一侧，并且因此将有利地与骑乘者的大腿内侧进行接触。膝盖之间的跨度将优选地等于脚蹬被分开的距离并由该距离决定。膝盖然后向下弯曲，由此容许小腿—胫骨—或多或少与转向轴线平行地延伸，使得脚竖着放在位于转向轮的任一侧的正确位置。

大腿、膝盖、小腿和脚的这种取向允许骑乘者的腿在转向轮枢转时或多或少保持固定在适当位置。小腿能够在膝盖不移动的情况下枢转，使得脚沿枢转车轮的方向在脚蹬上转动，并由此避免撞击辐条，小腿保持平行于转向轴线。随着脚踏车的转弯半径减小，可注意到脚在弯道内侧向后移动，而另一只脚在外侧向前移动。骑乘者可通过使脚与枢转车轮一体地一起回转而以自然方式容易地执行必要的操控。甚至在很慢的速度下，并且在脚蹬围绕转向轴线形成的扫掠范围达到其最大极限的情况下，以及在骑乘者可能需要撑杆来保持他们的平衡的情况下，骑乘者仍能利用他们的脚控制转向轮的枢转。

重要的是注意，骑乘者的下肢在脚踏车的操作期间或多或少保持(位置)固定，即使脚随着叉的枢转而回转。骑乘者可执行脚蹬的必要操控而不干扰身体在脚踏车上的位置。这是有意义的，因为它允许大腿或膝盖的内侧利用大腿内侧的肌肉的强度在任何时刻与辅助接触装置接合以将所述装置夹紧在它们之间，并由此形成骑乘者与后部件之间的刚性连接。在同一时间段，或在任何其它时间段，骑乘者可通过将脚向内朝向彼此迫压而在脚蹬上施加向内的力，由此向小腿提供附加刚性。在此情况下，可以说脚蹬也起到辅助接触装置的作用。骑乘者也可向一个或另一个辅助接触装置或一个脚蹬或另一个脚蹬或其组合施加横向力。这些动作由骑乘者直观地执行，不会对车辆的总体操纵有明显影响。

优选实施例

本发明的车辆的一个优选实施例在图1-3中示出。该可骑行的两轮串置车辆在骑乘者的身体从腰部向上不与车辆相接触的情况下被骑行。它容易骑行，并且出乎意料地平顺骑行和敏捷；并且借助于撑杆，发明人能容易地在小于单车停车位的尺寸的区域内以很慢的速度—比传统脚踏车可以实现的最慢速度慢得多的速度—例如呈8字形骑行。在图4中，所述优选实施例被示出具有与辅助接触装置一体化的鞍座。图4中车辆的操作在图5中示出。在图1-3中，脚蹬以其最基本的形式被示出，其中骑乘者的足弓下方的单个桩板36支承腿的重量。在图4-5中，脚蹬的示例被示出具有下支承件和上构件，两者都可与图示不同地定位。上构件可辅助由脚施加的向上的力。应当注意，优选结合在脚蹬中的用于后轮制动器28的致动器在图1-5中未示出。

在图6中，示出了根据本发明的脚踏车的另一实施例的图示。在此实施例中，脚蹬将位于车辆的后部件上。应当注意，在该图示中未示出制动器；组合的鞍座和辅助接触装置看上去未被支撑；前部件未被示出具有如文中所述通过所述第二力矩或方法产生转矩将需要的偏移质量(offset mass)；并且省略了其它显而易见的细节。

在该优选实施例中，脚蹬22位于前部件10上，前轮或转向轮12的每侧一个；辅助接触装置26位于转向管17的关于纵向轴线的任一侧；并且鞍座20位于固定在地面上方一定高度处的后部件14上，后部件14容许骑乘者在以他们的腿跨越脚踏车的方式坐在鞍座上时将他们的脚放在地上。鞍座相对于转向轴线的位置基于脚蹬的位置并由脚蹬的位置确立。脚蹬在使得脚蹬的支承骑乘者的脚和腿的重量的部分位于转向轴线的前方的位置附接在转向叉21的腿部19上。可对后轮16进行操作的常规自行车制动器28由骑乘者的身体的一部分控制，优选地由脚控制。在一端上具有把手且在另一端上具有橡胶垫或末端件的一对手握式撑杆24设置用于由骑乘者使用。

脚蹬相对于转向轮的中心(也就是轮轴18a)的位置和鞍座相对于转向管17和路面的位置部分取决于骑乘者的腿尺寸；因此，脚蹬和鞍座两者的位置都是可调节的。对于特定骑乘者，可将脚蹬和鞍座的最佳位置确定如下：首先，鞍座的高度被设定在地面之上，使得当骑乘者坐着不动时骑乘者的脚搁靠在地面上。然后，鞍座的初始前后调节被设定成使得，当骑乘者的大腿向前弯曲而将他们置于转向轮的上方时，大腿内侧从膝盖向后能在转向管的任一侧压靠在辅助接触装置上。膝盖然后伸展超出转向管(和优选地辅助接触装置)并向下弯曲成使得腿的胫骨或多或少平行于转向叉延伸。脚蹬然后可被设定成使得他们的初始位置在叉的任一侧将腿的胫骨置于转向轴线的前方。此时，车辆应当相当好操纵。对于每个骑乘者而言，他们的脚存在最舒适点或最佳位置，并且通过试骑脚踏车可以找到脚蹬的对应位置。还可通过首先调节脚蹬的前后位置然后如果有必要的话重新调节鞍座的前后位置来进一步调整车辆；并且然后在脚蹬的每次这样的调节之后，车辆应当再次进行路试。

在图1所示的脚踏车的优选实施例的模型中，后部件14(也就是脚踏车的框架)和前部件10(也就是其转向叉)的形状看上去可与其它已知的两轮串置车辆相似。单管“脊椎”型框架在一端连接到9英寸后叉13上，该后叉上安装有16英寸直径的标准自行车车轮。后轮16的直径的选择部分地以最大限度地减轻脚踏车的重量和缩短其轮距为基础。该框架的另一端连接到7英寸长转向管17上，该转向管与17英寸直转向叉21配对，该转向叉21不具有偏移—也就是转向轴线与车轮的轮轴相交。直径为28英寸的标准自行车轮安装在该叉上。转向轮12的直径被指定为尽可能大，它受骑乘者当坐在鞍座中时将他们的脚降到道路上的能力约束。尾迹(踪迹，trail)(本文中定义)被设定在约4英寸，轮距被设定为约25英寸。采用48英寸和53英寸两种撑杆长度。常见自行车鞍座20附接在一支柱上，该支柱在从转向管向后约8英寸处连接到该框架上。

辅助接触装置26的尺寸和形状可变化。在该模型中，如图1-3所示，所述装置的面向外的表面—其与骑乘者的大腿内侧接触—大约宽4英寸、高6英寸、并具有与骑乘者的大腿适贴的轻微凹状。所述两个表面的前缘在它们的最狭窄点隔开约6英寸，从而以该量与骑乘者的膝盖分离，并且在它们的后缘处渐缩成隔开约4-5英寸。所述表面的尺寸和形状并不关键—宽度为一半的表面看来同样可行。辅助接触装置可被分隔成两个部分，即左大腿接触部和右大腿接触部。辅助接触装置也可连同大腿一起或代替大腿与骑乘者膝盖的内侧接合；然而，重要的是它们不干扰胫骨相对于膝盖的移动。重要的是所述表面牢固和刚性地附接在后部件上。

脚蹬22的形状也可变化，对它们的形式没有约束，除了支承骑乘者的腿和脚的重量以及能够承受骑乘者可能使用他们的脚施加的向内横向(朝向车轮的)力(这些要求)以外。脚蹬的位置可通过其安装托架中的四个孔—这些孔允许指向外侧的垂直支承桩板36被水平地调节—并通过其相对于车轮的轮轴的可旋转位置—它允许在竖直方向上调节桩板—而如图1所示进行上下和前后调节。被示出为约7英寸的脚蹬之间的间距也可变化。为了使脚踏车的运输更容易，支承桩板可制成为向上折叠，使得它们不向外突出，由此容许车辆平放。脚蹬的设计以及它附接在叉上的方式、用以针对骑乘者的脚调节的方式和可用以针对骑乘者的腿的长度调节的方式全都可以变化，只要脚蹬实现预期用途，如文中所述。

应当注意，操作用于制动器28的致动器的最有利的方法可以是由骑乘者的脚执行的方法。如图7所示，当脚的后部用于支承腿的重量—脚蹬的支承桩板36例如被置于后跟或足弓下方—时，脚的前部依然能上下转动。该动作可用来控制用于制动器的致动器，前提是该任务不干扰车辆的一般操作。例如，如图7所示，设置在脚38上方的杠杆—其通过骑乘者的脚的向上枢转而被操作—或设置在脚40下方的杠杆—其通过骑乘者的脚的向下枢转而被操作—可用来致动后制动器28。或者，任意杠杆都可用来控制可对前轮操作的制动器(未示出)。应当指出，一个脚蹬上的杠杆可独立于位于另一个脚蹬上的对应杠杆操作。还应当注意，在各脚蹬上，无论哪种情况，一个杠杆或另一个杠杆可操作制动器，另一个杠杆由能抵抗向上或向下的力的固定桩板代替。此外，如果桩板38制成为固定的，则它将是辅助接触装置，因为骑乘者的脚和/或腿的肌肉将需要收缩以与它接合。

脚踏车的操作

当首先观察非活动的脚踏车时，可假设它由脚蹬利用驾驶者的脚转向，因为在无车把的情况下看来没有其它方式。不过，当在操作中观察时，除了明显向前推进脚踏车的骑乘者的杆支撑行程之外，不存在指示骑乘者控制车辆的明显动作。事实上，即使当如发明人那样骑脚踏车时，脚踏车如何工作并不明显。然而，显然脚踏车和骑乘者作为一个刚性体一起倾斜转弯；但无法分辨这种倾斜是动作的开始还是对另一个动作的响应。骑乘者和脚踏车的倾斜以及脚踏车前轮的枢转看上去同时作用。

随着转向轮以一种方式或另一种方式枢转，骑乘者的腿看似保持或多或少相对于彼此固定在适当位置，就像他们如图5所示处于通常就座位置那样。然而，在看上去不是这样的情况下，腿的胫骨在膝盖处枢转，脚踝加入该移动，且由此一起允许脚跟随转向叉的转动。脚或多或少一体地向左或向右移动，利用脚蹬作为导向件以跟随转向轮的相同枢转运动。需要脚的回转以便避免碰撞辐条。从骑乘者的角度看，腿和脚的动作是自发的；并且同样，不清楚脚是跟随该动作、引起该动作还是引导该动作。

考虑骑乘者以适度的速度(也就是说每秒4至5英尺)在直的自行车道上向前推进该脚踏车。当感觉到车辆要向左侧跌落时，骑乘者凭直觉向左转向以保持它们的平衡—也就是骑乘者沿一圆弧引导车辆，该圆弧的中心位于车辆的左侧。由于车辆和骑乘者的圆形运动而引起的离心力此时平衡了车辆倾覆趋势；事实上，骑乘者自动使车辆沿具有这样的半径的圆转向：离心力稍微使倾覆趋势失去平衡，并且车辆再次恢复其竖直位置。骑乘者现在精确地沿直线在短时间内转向。但可能已经稍微超过竖直位置，并且车辆稍微向车辆的右侧跌落。骑乘者此时无意识地向该侧转向，同样沿中心位于右侧的圆，等等。如果检查车辆的轨迹，则会发现并不是直线，而是长的蜿蜒曲线。

以上对骑脚踏车的说明实际上由Archibald Sharp提供并且指的是传统自行车，但在此使用是因为它也适用于本发明。Sharp的两轮车配备有车把，并且Sharp所提到“转向”当然是指“利用”该车把。在本发明中，使脚踏车转向依然是凭直觉的和自动的，明显说明的不顺手除外。显然，骑乘者的脚在与脚蹬接合时起到了如文中推定的作用；然而，其它力同样起作用。当Sharp谈到离心力时，其所处的背景是保持自行车直立；力推靠在其上以便防止车辆跌落的质量主要是骑乘者的质量。未提到其它力(如果有的话)的影响。

在本发明中，脚踏车通过与Sharp的示例中的自行车相同的原理操作，但相比之下，它的控制更多地取决于脚踏车的构型和所涉及的动力学，而不是骑乘者通过车把使用的干预。操作中的一个关键因素是绕转向轴线形成的转矩，这是车辆布局的几何结构及其在重力作用下对车辆表现的影响的结果。如果转向轮自由地自行定向，则转矩将趋于使转向轮沿该扭力的方向绕转向轴线枢转。在Sharp的示例中，不认为绕转向轴线产生的转矩对于其操作而言是必需的，该转矩的作用被骑乘者对车把的使用压倒，车把支配其操纵。

当脚踏车被骑行—足够快以使得撑杆对其转向和平衡的影响很小—时，脚踏车如果仅稍微倾斜的话通常向其纵向轴线的任一侧倾斜。因此，与控制脚踏车的动态相关的两个变量—倾斜角度和转向角度—连续起作用。在任意瞬间，车辆转弯的速率由这两个角度的组合控制。倾斜角度在此定义为车辆平面—由后轮与地面接触的接触点和转向轴线限定—与其中间平面或竖直位置的倾斜度。转向角度定义为前部件与其最前方或中间位置的偏离。两个角度具有相对于它们的中间位置的左或右极性。应当注意，当车辆直立—后轮竖直—并且两个车轮完全对齐时，倾斜角度和转向角度为零，因此转向轴线周围不存在转矩。

随着倾斜角度和转向角度变化—也就是脚踏车未处于完全竖直位置，转向轴线周围将形成转矩。倾斜角度取决于骑乘者的指令，骑乘者通过向旁边倾斜来控制倾斜角度。为了产生期望的转向角度，如果不考虑骑乘者在脚蹬上的脚，则必须在转向轴线周围产生一定量的转矩以便使转向轮枢转。最初，该转矩在车辆向纵向轴线的右侧倾斜时将是顺时针的而在向左倾斜时将是逆时针的。而且，随着转向轮枢转，由脚蹬支承的骑乘者的小腿的重量随着它枢转。正是在其后车辆已对骑乘者的初始倾斜命令作出响应且骑乘者偏向车辆纵向轴线的一侧的这个时点，车辆响应于骑乘者的操纵的行为的说明变得不清楚。

一般而言，当骑乘者向旁边倾斜他们的身躯时—可能连同其它力一起，转向轮趋于跟随。转向轮的枢转也直接受骑乘者的脚经由它们与脚蹬的接合影响。尽管难以确定其实际影响范围，但发明人的观点是脚踏车的转向不受脚蹬的使用支配。看来骑乘者在更大的程度上依赖于车辆的倾斜，以及所引起的转向轴线周围的转矩的提供，脚蹬的使用按需进一步增强或减弱了该转矩的影响。可能有帮助的是注意，在实际骑行状态期间，跨车辆的速度范围的转向角将最有可能将处于±10-40度的范围内，下限数值用于最快速度，上限数值用于最慢速度，±20度是典型骑行状况期间的名义范围。用于该典型骑行状况的对应的倾斜角度将很有可能小得多。

当转矩与趋于反向扭转转向轮的这些力达到平衡时，如文中所述，骑乘者和脚踏车将处于平衡中，并且脚踏车将以恒定半径转弯。倾斜角度和转向角度也将是恒定的，并且骑乘者施加至各脚蹬的力将变得稳定。如果多个变量—包括脚踏车的速率、倾斜角度或施加至脚蹬的力—中的任意变量改变，则脚踏车将进入过渡状态，直至达到新的平衡状态。骑乘者能够直观地控制此过程。在实践中，应当注意，骑乘者试图在相反的方向上改变转向角度和倾斜角度而不翻车—不包括众所周知的逆转向现象，在此期间这种状态可能瞬时地发生—的可能性低。不清楚逆转向在本发明中起作用(如果有的话)的程度如何，不过如果它是一个因素，则它将被直观地处理，因为该模型的骑乘者并未意识到它。

返回参照Sharp对骑自行车的说明，该平衡过程在车辆的速度低于特定速度—此时车辆和骑乘者的圆形运动引起的离心力变得不足—之前起作用。此时，骑乘者发现难以维持平衡，并且可选择加速，或代之以试图通过沿与倾斜相反的方向摆动车把、从而快速抵抗倾斜—然后以另一种方式返回等等—来保持平衡。该动作引起骑乘者和车辆的质心上升，并与摆动的车把同步地绕纵向轴线来回振荡。然而，随着自行车的速度进一步下降，骑乘者不再能维持平衡。离心力不再是一个因素，并且骑乘者被迫伸出腿以防止车辆跌落到地面。

本发明的情况不是这样。首先，车辆具有与滑板车更接近的缩短的轮距，这允许车辆针对特定速度和转弯半径形成接近两倍于传统自行车的离心力；且因此车辆在慢得多的速度下可自然地维持平衡。不过，存在由于速率不足而存在离心力的缺少的点，并且车辆开始变得难以平衡。在该点处撑杆的使用—它们被操控的方式—满足本发明的慢速操作的目标。撑杆可用于将车辆维持在接近竖直位置，这允许脚踏车或多或少直线行驶。可实现这种操控是因为，骑乘者可感知骑乘者和车辆的质心何时超越纵向轴线，并且立即使用位于车辆趋于向其倾斜的一侧的该撑杆对向任一侧的最小偏离进行修正，以推动—也就是供给充足的横向力—并由此再平衡车辆和骑乘者。利用撑杆，骑乘者可实际地在零速率下保持完全直立而不必将脚下降到地面。

此外，在脚踏车慢速运行期间，撑杆可用于转弯。例如，可采用撑杆来防止车辆比预期进一步倾斜到弯道中，并且这能以同时提供向前推进脚踏车的一定向前推力的方式完成。或者，当准备向另一侧转弯时，利用撑杆进行的横向推挤可升高骑乘者的重心并帮助将骑乘者推过车辆的纵向轴线的这一侧。然而，可注意到，尤其在骑乘者可能无法不使用撑杆来保持平衡的很慢速度下，脚踏车将趋于保持更急地转弯，从而导致骑乘者跌落，除非撑杆向外伸出。不可能仅利用脚蹬来防止这种情况发生。此时，骑乘者必须采用撑杆以通过在撑杆上横向推动来升高他们的质心，或可代之以仅在撑杆上倾斜以维持他们的当前质心高度，并由此防止转弯半径的减小。

产生转矩

转矩事实上是力矩，且因此是作用在杠杆臂上的力的结果。如上所述，只要骑乘者向旁边倾斜，转矩就会出现在转向轴线周围，这致使倾斜角度和转向角度大于零。如文中进一步指出的，所述转矩存在两个分量：一个分量是脚踏车的前部件上承受的质量的函数，另一个分量是该质量的一部分的函数。所述转矩的每个分量都具有与涉及车辆的前部件的设置的脚踏车设计的特定变量相关的杠杆臂。因此，转向轴线周围产生转矩可被视为包含两种单独的方法的过程。

依赖于传统自行车的基本构型的第一方法基于车辆前轮的尾迹、或更具体地其机械尾迹，该尾迹的定义是转向轮与地面的接触点与转向轴线之间的最近距离。尾迹实际上是所述第一方法中的力矩的杠杆臂，并且因此在转向轴线周围操作。尾迹是转向管的向后倾斜—其致使转向轮的轮轴相对于后轮轴向前移动—的结果。随着所述倾斜增加，转向轮与地面的接触点相对于转向轴线与地面交叉并且增加尾迹长度的该点向后移动。

重要的是认识到，所述杠杆臂处于转向轮的平面中并且在转向轮与竖直平面对齐时—也就是在前轮和后轮与地面的接触点处于包含转向轴线的平面中时—没有影响。只要转向轮偏离其直接向前位置或中间位置，所述杠杆臂就开始起作用。此时，转向轮与地面的接触点远离车辆平面移动。这致使支承力—也就是在对车轮上的重量作出反应时在所述接触点上竖直向上推动的力—形成垂直于车轮平面的分量。所述分力作用在杠杆臂上。得到的力矩会产生趋于使车轮沿车辆倾斜的方向枢转的转矩。

在第二方法中，转矩的产生基于质心—绕转向轴线旋转的质量的质心—在转向轴线的前方与之间隔开或偏离其的距离。前轮和叉—在优选实施例中脚蹬以及骑乘者的由脚蹬支承的腿和脚的质量部分—被包含在所述质量内。所述质量的重量可产生绕转向轴线的力矩，它的杠杆臂实际上等于转向轴线与所述质心之间的垂直距离的长度。重要的是理解，当车辆以接近零的倾斜角度直立并且转向轮以接近零的转向角度处于其中间位置时，来自两侧或横向的重力平行于转向轴线，且因此其对所述质量的影响在转向轮的平面中向下定向；且因此不会从所述第二方法产生转矩。只要车辆倾斜—该倾斜角度大于零，所述质量的重量的影响就形成未处于转向轮的平面中的向下的力。该力具有垂直于转向轮的平面的分量；并且所述分量可作用在所述杠杆臂上并产生趋于使转向轮绕转向轴线枢转的转矩。

在该优选实施例的情形中，前叉是直的，也就是叉的腿部与转向轴线对齐。因此，叉和车轮的质量关于转向轴线对称地分布在车轮的平面中；并且因此，该质量不是转矩产生的一个重要因素。因此，在第二方法中脚蹬的设置和它们支承的重量负责产生转矩。根据本发明，在脚踏车的优选实施例中，脚蹬的位置是车辆的转向和平衡的一个关键因素。在前面提到的其脚蹬附接在后部件上的脚踏车的情形中，为了通过所述第二方法产生转矩，可通过例如向前弯曲叉腿部或将重量置于转向轴线前方的另一种方式来使前轮偏离。

应当注意，在自行车—其中术语“偏离”定义为转向轴线与转向轮的轮轴之间的最短距离—中，前轮轴通常在转向轴线的前方，这将叉和车轮的一部分重量转移到转向轴线的前方。不包括骑乘者可通过倚靠在车把上而共享的重量，如不用手转向时那样，由于所述偏离，转向轴线周围仅产生少量转矩。尽管在脚踏车的优选实施例的情形中所述偏离为零，但由于向前伸在转向轮的顶部上方的骑乘者的大腿的水平位置，由脚蹬支承的质量可明显大于车轮和叉的组合质量，其为骑乘者的总体重的约15％；且因此可产生可观的转矩。

根据本发明，由脚蹬(当它们附接在前部件上时)支承的重量的质心必须位于转向轴线的前方。此时，所述两种转矩产生方法将趋于在转向轴线周围产生它们在同一方向上的转矩。尽管通过各方法产生的转矩可与重力相关，但在所述两种方法的每种方法中作用在杠杆臂上的力的方向可从转向轮的相对两侧定向。在第一方法中，该力在转向轴线的后方；而在第二方法中，该力在转向轴线的前方；两个杠杆臂关于转向轴线隔开180度。

如果情况是这样，则作用在各所述杠杆臂上的力源自相反的方向且因此在任何情况下都不会是相同的力。在所述第一方法中，该力在前轮与地面的接触点处竖直向上推动—这是对重力的反应—并且支承车轮所承载的总质量。在所述第二方法中，该力竖直向下推动—该力为重力—并由随着前部件一起枢转的质量(包括所述偏离质量)承受。因此，可推断所述第一力矩和所述第二力矩是独立的动作。由于一者不取决于另一者，所以可调节或修改一者而不影响另一者。

骑乘者可通过使车辆关于车辆纵向轴线向一侧或另一侧横向地倾斜而在任意方向—围绕转向轴线的顺时针方向或逆时针方向—上产生所述转矩。因此，为了改变转矩的方向和因此转向轮朝向转向轮的中间位置的左侧或右侧倾斜的方向，骑乘者身体的重量必须首先移动到车辆的纵向轴线侧。为此，骑乘者的质心必须在一侧上升以便它越过车辆的纵向轴线的另一侧，其中它然后将在车辆的该侧随着倾斜角度增大而下降。这可能需要骑乘者使用脚蹬来形成对向的转矩，也就是衰减当前通过所述两种方法产生的转矩；但不论骑乘者执行什么动作，显然该动作是直观地完成的。在慢速下，撑杆也可用于帮助升起骑乘者，如文中所公开的。

控制转矩

重要的是认识到，在本发明中，存在与脚踏车的运行相关的两个质心(COM)。通常与自行车相关的第一COM是整个系统的COM，其包括车辆、骑乘者和撑杆的质量。该COM位于鞍座的稍微前方和上方。当脚踏车转弯时，离心力垂直于行驶方向—也就是沿弯道的半径向外—形成并且实际上推靠在该COM上以对抗重力，这趋于使车辆朝向弯道的中心倾覆。重力和离心力趋于使脚踏车绕纵向轴线沿相反的方向旋转。

第二COM是与随前部件一起枢转的质量有关并与转向轴线相关的COM。如上所述，由脚蹬支承的质量可由于骑乘者的小腿的重量而较大；且因此该第二COM可以是脚踏车的操纵中的一个重要因素。然而，在现代自行车中，随前叉枢转的质量的COM未被视为车辆的转向和平衡的一个重要因素。相比于移动的车辆所产生的离心力对所述第一COM的影响，离心力可对第二COM产生的影响以及它可如何影响传统自行车的平衡和转向一般被忽略。

有趣地注意到，在Archibald Sharp对在不用手转向的同时骑传统自行车—其中假设倾斜角度小、转向角度也小并且恒定、并且不考虑车轮的陀螺作用—的分析说明中，未提到离心力。Sharp主张向心力是产生对抗—也就是平衡—其它两个上述力矩—与转向轴线周围的转矩产生的所述第一和所述第二方法相关的力矩—的力矩的初级力。Sharp认为所述向心力在转向轮与地面的接触点处切向于转向轴线作用，其杠杆臂是转向轮的机械尾迹的长度。

在本发明中，希望观察尾迹对脚踏车的操作的影响。在发明人进行的实验中，所述模型被修改成使得其尾迹可被一直下调到零。在以25％的增量减小尾迹时测试该模型；并且如预期的那样，其操纵变得越来越疲惫；但出乎意料地，即使当尾迹被调节为零时，仍可容易地控制该模型。应当注意，根据Sharp的说法，当没有任何尾迹地骑车时，所述第一转矩产生方法和由于向心力而引起的对向的力矩将不会起作用，因为两个力矩需要尾迹作为其杠杆臂。如果这种说法是正确的，则转向轴线周围的转矩的存在(如果实际上该转矩确实存在)可能仅归因于所述第二方法的影响。

于是，这种情况下，为了平衡在例如恒定半径转弯期间通过所述第二方法产生的转矩，或在改变转弯半径时，将不得不包含某种不同于离心力的力。推断该力可能是以下力将是合理的：作用在所述第一COM上或所述第二COM上或在一定程度上作用在两者上的离心力；可形成衰减效应、也就是通过骑乘者的脚在脚蹬上的动作产生的绕转向轴线的对抗扭力；或这两者的某种组合。所述第二COM可能过于靠近转向轴线，和/或车辆的速度范围可能过低，使得所述第二方法明显受离心力影响。

另一方面，假定脚踏车具有一定量的尾迹，则所述向心力可以是能对抗转向轴线周围存在的转矩的初级力，如Sharp提出的那样。关于传统自行车中的脱手转向，CarlosBourlet's—其观点在长时间研究这些主题的时代受到高度重视—提到，不可能骑乘其中转向轴线在前轮的接触点与地面相切的自行车—换言之不具有尾迹的脚踏车。考虑到这一点，人们于是将倾向于相信，根据实验结果，差别是骑乘者的脚在脚蹬上的动作的结果；或换言之，该优选实施例中的脚踏车由于骑乘者能对脚蹬施加的细微控制而工作。

使两轮串置车辆转向和平衡的问题过去被看作是复杂的并且尤其包含脱手骑车时尤其让人混淆。在Sharp的观点中，骑乘者试图通过改变倾斜角度—也就是通过调节他们的身躯的倾斜或横向位置来平衡转向轴线周围的转矩—而不使用手转向或许不会足够快以保持车辆的平衡。但在骑乘已被证实容易控制的该优选实施例的模型时情况并非这样。因此，由于Sharp的假想示例与所述模型之间的唯一主要差别在于，在该模型中，转向轴线周围的转矩可受脚蹬的使用影响，人们可以推断—根据Sharp的观点：骑乘者的脚在脚蹬上的重量和细微动作事实上形成该差别。应当注意，在Sharp的示例中，将无法实现逆转向的使用，因为未使用车把。不了解逆转向是否是本发明的脚踏车的转向的一个因素，但可以通过骑乘者对脚蹬的使用来执行逆转向。

Sharp的分析涉及传统自行车，其中所述第二COM中包括的唯一质量是转向叉、前轮和车把的质量。而且，即使所述COM由于叉腿部的弯曲导致的偏离而位于转向轴线的前方，Sharp也未考虑离心力可作用在该质量上以对抗趋于使前轮绕转向轴线枢转的转矩。在本发明的优选实施例中，尽管叉是直的，但所述第二COM可由于脚蹬的设置而明显向前移位。因此，可作用在其上的离心力可以是朝向转向轮的中间位置向后推动转向轮的一个重要因素(假设骑乘者的下肢配合)。如果情况是这样，则应当注意，该动作及其影响看上去在防止脚踏车向侧面跌落方面将与所述第一COM相似。

可注意到，偏移在自行车技术中很少被提及。在最早的自行车设计中，转向叉是直的—不存在偏移。然后，随着安全自行车—现代两轮车—的出现—并且贯穿二十世纪，偏移几乎是每种设计的一部分：前叉的腿部向前弯曲以产生偏移。可注意到，在所有引用的文献—Sharp的经典著作、Wilson的《Bicycling Science》、Bryant的专利和Papadopoulos最近对《Bicycling Science》增加的章节—很少触及偏移的主题，尽管在大多数情况下大量论述着重于尾迹主题。Sharp和Bryant两人都在他们的分析中指出了偏移但随后未能对它进行论述。Papadopoulos仅仅陈述“转向轴线的线通常经过前轮轴的下方，也就是说，叉向前弯曲”。

重要的是认识到，偏移使转向轮与地面的接触点沿尾迹的反方向向前移动；因此，对于转向管的一定倾斜，尾迹将随着偏移增加而减小。偏移提供的唯一真正用途看来将是使所述第二COM进一步向转向轴线的前方移动。这在脚踏车的优选实施例中不是必要的，因为可通过脚蹬的设置更好地实现该目标。对其中前叉向前弯曲以产生不同的偏移程度的优选实施例的模型进行了实验。一般而言，改变偏移量的影响不明显，并且无法辨别积极的优点。最佳整体性能似乎不是利用偏移产生。因此，在根据本发明的一个优选实施例中，脚踏车具有不带偏移的直的转向叉。

其它因素

在迄今为止的论述中，已明确本发明中谈到的脚踏车在一定程度上通过两个独立的力矩转向，这些力矩可以一起作用以在转向轴线周围产生可致使转向轮枢转的充分转矩。尚未考虑对该转矩的可由骑乘者的小腿经由脚蹬产生的所述力矩的影响，但推断这种直接动作的影响可以增强或削弱所述两个力矩的影响。应当注意，还存在陀螺环节—自行车设计领域的技术人员已知且被Jim Papadopoulos在《Bicycling Science》的第三版中引用，其可以是所述脚踏车的转向的一个因素，其中，通过脚踏车的转向轮的旋转运动产生的角动量驱促车轮朝向脚踏车向其倾覆的一侧枢转。因而，该陀螺动作—已知为进动—的作用是加强所述力矩，也就是增加至通过所述第一和第二方法产生的转矩。

此外，转向轮的角动量与脚踏车的速率的平方成比例。因此，进动的作用在脚踏车的操作期间可变化，取决于脚踏车的速度。进动可在多大程度上影响脚踏车的操纵尚不确定。在通常速度下该作用(如果有的话)的程度可基于模型的一般性能而被解释为便于管理和有帮助的。进动产生的转矩的变化可通过骑乘者的脚在脚蹬上所产生的动作直观地补偿。然而，应当注意，转矩的突然变化可导致更高速度下的操纵问题，这些操纵稳定会导致脚踏车的不稳定，其中转向轮在转弯期间可能快速向内转动，从而导致翻车。

在有关于转向的另一方面，要注意当横向力在转向管处施加至后部件时，转向轮也会枢转。当在其步行模式下使脚踏车转向时可证实这一点：其中下车的骑乘者在脚踏车旁边步行，在他们的手抓住鞍座的情况下向前推动脚踏车，并且使鞍座扭转，由此导致转向轮枢转。还可以在骑脚踏车时使用该方法。然而，与在步行模式的情形中一样，脚踏车的后部件需要与其大致竖直的直立位置接近以便它有效地工作。然后，如果骑乘者应当使他们的一个大腿绕臀部扭转，由此利用他们的大腿内侧向附接在转向管的侧面上的辅助接触装置之一施加横向力，则转向轮将沿所施加的力的方向枢转。尽管可能难以分辨，但该动作可用于致使转向轮从纵向轴线的一侧向另一侧枢转，并由此帮助骑乘者更快地改变方向。该动作证实肢体语言可以是脚踏车的控制中的一个因素。应当注意，该作用取决于脚踏车的尾迹的长度。

重要的是认识到，两轮串置车辆运行的速度范围是其操纵特性中的一个主要因素。这些车辆在它们的运行中依赖于离心力及其对应的向心力的不同存在程度。这些力取决于车速，并与其速率的平方成比例。因而，特定类型或类别的两轮串置车辆的设计大部分取决于其速度范围。在一个类别内，该速度范围可被视为一个设计参数—也就是车辆被预期运行的速度；或者，它可被视为设计本身的一个限制因素或者说设计本身固有的。例如，自行车可针对更慢的速度设计，比如“山地(cruiser)”型，或针对高速度设计，比如“场地”自行车；但是，它无法制成为以非常慢的速度—例如像滑板车可运行的速度—运行。同样，滑板车可被设计成以不同的速度范围运行；但是，滑板车在摩托车运行的速度下将不稳定。显然，自行车、滑板车和摩托车是截然不同的车辆，尽管它们共用两轮串置构型。

本发明中的脚踏车也是截然不同的车辆。不应与其它两轮串置车辆像例如自行车混淆。一般而言，在自行车中所述稳定性和平衡优于本发明的脚踏车；因此，自行车的操纵特性可适应更大的运行速度范围。在本发明中，慢速运行能力的取得是有益于(如果不是必要的话)特定推进手段—手持撑杆的使用—的主要成就。该脚踏车的速度范围直接取决于骑乘者的手臂和肩膀—因而肌肉—的移动。而且与滑板车相似，在水平路面上，该脚踏车不能超过骑乘者可以向前推进它的速度。尽管以较慢节奏推进允许骑乘者按需保存能量，但骑乘者上身的锻炼是本发明的一个重要特征。

如对转矩的产生指出的，所述第一和第二方法并不相互依赖。因此，如果这种方法具有不同于转矩产生的目的，则脚踏车的设计单独考虑它并且相应地确定其对车辆的整体性能和行进的相对重要性将是有利的。因而，在这方面，与所述第一方法相关的尾迹的主要目的是改善车辆的基本操纵，如自行车设计领域的技术人员众所周知的那样。通常，适用于自行车的相同原理和考虑因素将适用于本发明中的车辆。在该模型的结构中，在考虑所述第二转矩产生方法之前，基于以下对尾迹进行优化以对车辆的操纵和稳定性产生最大益处：其运行速度范围、轮距和骑乘者的预期质量。这通过在骑乘者的重量尽可能接近地以相同比率被支承在前部件和后部件之间的同时调整尾迹的长度来实现，与优选实施例中一样。

在与所述第一方法相关的变量成立的情况下，然后可处理所述第二方法，目标是优化所述第二力矩以基于通过所述第一方法产生的一定转矩产生最佳可能的转向特性。在开发该优选实施例前的实验时间段，作出过多种其它尝试以骑乘各种设计的不带车把的两轮串置车辆。最难克服的问题之一是脚蹬的双重功能的调和。一方面，脚蹬对于将骑乘者稳定在车辆上很关键；而另一方面，它们是转向过程的关键部分—看似不相容的目的。它们在车辆上的最佳位置的确定—其带来骑乘者对它们的使用的效力和容易性，实现了两种功能—是一个主要成就。重要的是认识到，它们的用途—作为使转向轮枢转并支承骑乘者的装置—应当不约束转向轮通过非故意地干扰转向轴线周围的转矩的存在而响应于车辆的倾斜枢转的自然倾向。

根据本发明，骑乘者的腿和脚在脚踏车上的位置的优化可以是该车辆的转向和平衡中的一个关键因素。在这方面，脚蹬关于转向轴线的设置在该脚踏车的优选实施例的情形中是最重要的考虑因素。应当指出的是，鉴于所述第二方法中的转矩的产生与骑乘者的腿和脚的位置和重量有关，骑乘者对脚蹬的使用而实现的转向轮的移动的容易性和控制更加与腿和脚的位置有关。因此，脚蹬的位置必须使得车辆的操纵特性基于特定骑乘者的质量和身材来优化。在实践中，脚蹬的精确位置可以是可调节的并且在取得车辆时设置。使用该优选实施例的模型的实验表明，对于给定骑乘者，在车辆执行试验的情况下脚蹬的位置存在最舒适点。如果骑乘者的脚的位置从该位置过于向前或向后移动，则车辆变得无法骑行。

推进

杆支撑在两轮串置车辆中是可行的，因为向前推进车辆所需的力可在与车辆的固有稳定纵向轴线平行的方向上施加；而且，它能以不产生无法通过骑乘者的动作来对抗的不稳定力矩—也就是围绕骑乘者的扭转—的方式完成。举例而言：在最简单的推进动作中，骑乘者通过向前伸展双臂而开始；并且在撑杆末端指向正下方的情况下，将它们安置在道路上；然后立即—开始动力行程—在末端上施加向下的压力以将它们保持就位，同时通过弯曲肘部来向后拉引竖直地保持的撑杆。车辆因而在使肘部弯曲所耗费的时间段被向前推进，使得撑杆手柄不再与胸部齐平。骑乘者然后通过提升撑杆来完成该行程；并且手臂再次向前伸展以开始下一行程。

注意，在做功行程期间，在撑杆末端等距地安置在纵向轴线的任一侧的情况下，当骑乘者向各撑杆施加相等的拉力时，由一根撑杆产生的转矩被另一根撑杆产生的转矩抵消。围绕骑乘者的顺时针转矩—其通过骑乘者拉引左侧撑杆而产生—被由右手撑杆产生的逆时针转矩抵消。因此，向前推动车辆的净力与车辆的纵向轴线对准。值得庆幸的是，发现不需要这种精确杆支撑程度以便维持稳定，如本文中公开的。

两根撑杆被一致地使用的杆支撑—比如上述“双拉引”行程—可变化以适合不同目的。“双拉引”例如是用于其中在没有其稳定性质的影响下很难或不可能平衡的极慢速度的理想行程。另一示例是“双推动”，这是用于从静止开始的良好行程，如在此所示。骑乘者跨坐静止的车辆就位，肘部充分弯曲，从而将撑杆拉向胸部，并且撑杆末端邻近每只脚的外侧安置在鞍座下方。然后，在撑杆之间平衡直立的同时将脚提升到脚蹬上，骑乘者通过向前摇动而开始动力行程，从而使上身在臀部处转动，同时向撑杆施加将末端保持在适当位置的相同的下压力。而且，随着肩膀经过撑杆末端的前方，骑乘者向后推进撑杆，从而部分地松开肘部以完成该相当短的行程。撑杆然后被快速提升并向前移动以重复该行程，依此类推，直至车辆获得有效的动量。

在任意行程施加的力或相继的行程之间的经过时间可由骑乘者改变以与条件和情况相称。快速加速可能需要非常快的全力“双拉引”行程。或者，在行人交通繁忙时，可使用相同的行程以通过采用最小的力但各行程之间的极快经过时间而很慢地移动，由此保持撑杆与道路接触的时间尽可能长。而且，同样，例如，在渐进式杆支撑下，长而有效的“双拉引-推动”行程—其将“双拉引”和“双推动”行程合并，一个行程拾起，另一个行程中断—可以上用于动力和速度的最佳行程；然而在非渐进式杆支撑的情况下，其也可以是大滑行行程。这三个“双重”型行程的推力可通过以下中的任一者增加：通过在臀部处向前弯曲上身而在行程开始时进一步向前伸展撑杆，或在行程结束时进一步向后伸展撑杆，或两者兼备。

“双重”杆支撑的重要意义是，发现骑乘者可在无明显认识的情况下改变施加至一根撑杆或另一根撑杆的力量以补偿不均匀的杆支撑或骑乘者相对于车辆的位置的移动或路面的变化导致的不平衡。这种以前未认识到的作用看来补充了两轮车通过沿倾斜方向转动前轮来修正倾斜的作用。该重要发现的含义是：杆支撑不仅仅是推进手段；它也可以是具有反馈环的复杂的平衡和稳定系统的一体部分，所述反馈环包括一起操作以在车辆行驶时帮助控制车辆的骑行的骑乘者、车辆和撑杆。

迄今为止的说明已涉及“双重”杆支撑，其特征在于一致地使用两根撑杆。另一种基本的杆支撑类别是“交替”，其中撑杆被交替地前后使用，在一侧进行第一次杆支撑，然后在另一侧，撑杆的动作与步行者的腿的动作之间存在一定相似度。“交替拉引”、“交替推动”和“交替拉引-推动”是它们在“双重”杆支撑类别中分别命名的行程的对等物；并且有关于“双重”行程的前述评论适用于它们的“交替”行程对等物，一个重要差别除外：与“双重”杆支撑不一样，对于“交替”杆支撑，通过一个杆产生的转矩不抵消另一个杆产生的转矩。

当骑乘者向前推进车辆时，施加至撑杆的力在与车辆的纵向轴线平行的方向上；且因此，大部分产生的动力与行驶方向一致。但是，由于杆支撑力偏离轴线本身—撑杆末端被设定在通过骑乘者的肩膀分隔的轴线的任一侧，所以也产生潜在地不稳定的力矩。撑杆的推力具有在骑乘者的身体周围产生运动或扭转的趋势—想起在划桨时向两侧扭转的独木舟。当在车辆的右侧进行杆支撑时，骑乘者施加在撑杆上以向前推进车辆的力将趋于使骑乘者的身体逆时针扭转，或在左侧进行杆支撑的情况下顺时针扭转。

这种不稳定力矩如果未通过对向的动作—例如如在“双拉引”示例中所述的大小相等的相对力，其中由一根撑杆产生的力矩被由另一根撑杆产生的力矩抵消—对抗的话会使骑乘者和车辆翻倒。而且，实际上，这适用于整个“双重”杆支撑类别，其中右侧和左侧杆支撑动作是一致的；且因此得到的对向力矩趋于彼此抵消。然而，这不适用于“交替”杆支撑。这种情况下，每个行程必须被骑乘者抵抗以防止所产生的力矩使车辆倾翻。骑乘者通过倾斜或通过转动车辆的前轮或这些动作的某种组合或某种其它可行的操控来形成这种抵抗。

不论骑乘者采用什么对向动作以抵消由“交替”行程产生的转矩，都可对接下来的行程重复该动作以形成骑乘者可能觉得有趣的连续样式或节奏。例如，可使车辆向两侧来回摆动，或骑乘者可来回摇摆或扭动。“交替”杆支撑类别中的各种行程中的任何行程都可用来使车辆以此方式“步行”，前提是骑乘者产生对应的对向动作。针对“双重”杆支撑类别的该相同反馈环路这里适用于“交替”类型行程；藉此骑乘者直观地平衡通过“交替”行程产生的转矩。

应当理解，本文中描述的示例和实施例仅出于说明目的，并且本领域的技术人员将根据它们想到各种修改或变更且这些修改和变更被包含在本申请的精神和范围以及所附权利要求的范围内。

Claims (12)

1.一种两轮车辆，它构造成通过骑乘者的质量的移动转向，并且包括：

前结构件，该前结构件由可旋转地安装到该前结构件上的前轮支承，所述前结构件枢转地连接到后结构件，该后结构件由可旋转地安装到该后结构件上的后轮支承，该前轮和该后轮是串置的，所述前轮能绕大致竖直的转向轴线枢转，所述转向轴线和所述后轮与地面的接触点限定出第一平面，所述转向轴线和所述前轮与地面的接触点限定出第二平面，所述前轮与地面的接触点和所述后轮与地面的接触点限定出一纵向轴线，该第一平面和该第二平面能在该纵向轴线上对齐，由此所述前轮与所述后轮对齐；

第一装置，该第一装置以固定位置附装在所述后结构件上并且构造成支承骑乘者在所述第一平面中的对称地位于该第一平面的两相反侧的第一质量，由此第一质心形成在所述纵向轴线的上方并围绕该纵向轴线回转，该第一质心包括所述第一质量以及该车辆的质量；

第二装置，该第二装置附装在所述前结构件上并且构造成支承骑乘者的对称地位于所述第二平面的两相反侧并在所述转向轴线前方的固定部位处的腿和脚的第二质量，所述第二质量与车辆的固定到前结构件的质量限定第二质心，该第二质心位于转向轴线前方并围绕该转向轴线回转；

辅助接触装置，该辅助接触装置附装至该车辆并且构造成接触骑乘者的除了手和手臂以外的身体部分，所述辅助接触装置能在侧向上支承骑乘者，由此使所述第一质量在所述第一装置上保持就位，并使所述第二质量在所述第二装置上保持就位；以及

其中，当骑乘者使车辆倾斜时，所述第一质心围绕纵向轴线转动，并且由作用在所述第二质心上的重力产生的力矩形成转矩，该转矩倾向于使所述第二质心围绕所述转向轴线转动，由此使前轮枢转并使该两轮车辆沿其中骑乘者使该车辆倾斜的方向转向。

2.根据权利要求1所述的两轮车辆，其中，当骑乘者的下肢的肌肉强制腿和/或脚压靠该辅助接触装置时，所述辅助接触装置与该骑乘者接合。

3.根据权利要求1所述的两轮车辆，其中，该车辆构造成由骑乘者抵靠地面推动至少一个撑杆并且由此产生推力而推进，其中至少一个力分量指向后方并且平行于所述第一平面。

4.根据权利要求1所述的两轮车辆，其中，该车辆构造成当骑乘者抵靠地面推动至少一个撑杆并且由此产生具有沿横向指向所述第一平面的至少一个力分量的推力时通过升高所述第一质心的相对于所述纵向轴线的位置来维持平衡。

5.根据权利要求1所述的两轮车辆，其中，所述第二装置构造成抵抗由骑乘者的腿和/或脚施加的力，由此所述力的施加调整所述转矩。

6.根据权利要求1所述的两轮车辆，其中，所述第二装置的所述固定部位是可变的，由此能针对个体骑乘者选择所述第二质心的最佳部位。

7.一种两轮车辆，包括：

前结构件，该前结构件由可旋转地安装到该前结构件上的前轮支承，所述前结构件枢转地连接到后结构件，该后结构件由可旋转地安装到该后结构件上的后轮支承，该前轮和该后轮是串置的，所述前轮能绕大致竖直的转向轴线枢转，所述转向轴线和所述后轮与地面的接触点限定出第一平面，所述转向轴线和所述前轮与地面的接触点限定出第二平面，前轮与地面的接触点和后轮与地面的接触点限定出一纵向轴线，该第一平面和该第二平面能在该纵向轴线上对齐，由此使前轮与后轮对齐；

安装在所述后结构件上并且以固定位置设置在所述第一平面中的鞍座；

安装在所述前结构件上并且对称地设置在所述第二平面的相对侧上的脚蹬；

安装在该车辆上的至少一个辅助接触装置，该辅助接触装置构造成抵抗由骑乘者的除了手和手臂以外的身体部分施加的力，由此使骑乘者的质量能横向地稳定在鞍座和脚蹬上；

至少一个撑杆；

其中，该车辆构造成由骑乘者利用与地面接触的至少一个撑杆推进。

8.根据权利要求7所述的两轮车辆，其中，所述脚蹬构造成支承骑乘者的在所述转向轴线前方在选定部位的脚和腿的重量。

9.根据权利要求7所述的两轮车辆，其中，所述转向轴线向后倾斜，由此所述前轮与地面的接触点位于所述转向轴线与地面相交的点的后方。

10.根据权利要求7所述的两轮车辆，其中，所述脚蹬构造成抵抗从骑乘者的至少一个脚施加的力，该力从一个脚蹬向内指向另一个脚蹬。

11.根据权利要求7所述的两轮车辆，其中，辅助接触装置安装在车辆的后结构件上，并且构造成由骑乘者的大腿内侧和/或膝盖接合。

12.根据权利要求7所述的两轮车辆，其中，该鞍座与该辅助接触装置形成一体。