CN106437477B - 用于控制机动化的卷帘的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明有利地提供了用于手动和/或远程控制机动化的卷帘的方法，所述机动化的卷帘包括附接到帘管上的帘、设置在所述帘管内的直流齿轮电动机、以及微控制器。一种方法包括：利用传感器来检测所述帘的手动移动；确定与所述手动移动相关联的位移；以及，如果所述位移小于最大位移，通过激励所述直流齿轮电动机来转动所述帘管，以将所述帘移动到不同的位置。另一种方法包括：接收来自遥控装置的指令；以及通过激励所述直流齿轮电动机来转动所述帘管，以将所述帘移动到与所述指令相关联的位置。

Description

用于控制机动化的卷帘的方法
本申请要求申请日为2011年2月23日、申请号为201180020576.9的名为“用于控制机动化的卷帘的方法”的在先申请的优先权。
技术领域
本发明涉及一种机动化的帘(shade)。具体地，本发明设计一种高效率的卷帘(roller shade)。
背景技术
窗上用品(window treatment)的一种普遍存在的形式是卷帘。19世纪期间的常见的窗遮盖物，卷帘仅仅是织物或其他材料的长方形板，其被接附到圆柱形的转动管上。帘管(shade tube)被安装在窗子的顶部附近，使得当帘管在一个方向上转动时，帘自身向上卷起，并且当帘管在相反方向上转动时，帘向下滚动以遮盖窗子的所期望的部分。
安装在帘管的一端处的控制系统能够沿着帘的行程范围在一个或多个位置处固定该帘，而不论该帘管的转动方向如何。简单的机械控制系统包括棘爪机构、摩擦制动器、离合器等。为了使帘上下滚动以及沿着帘的行程范围在中间位置固定该帘，棘爪机构和摩擦制动器机构要求帘的下边缘被使用者操作，同时离合器机构包括被使用者操作的控制链。
不出人意料的是，通过将简单的机械控制系统替换成被直接地连接到帘上的电动机，已非常简单地实现了卷帘的机动化。电动机可以被设置在帘的内部或外部，被固定到卷帘支撑物上并且被与简易开关相连接，或者在更复杂的应用中与射频(RF)或红外(IR)收发器相连接，该简易开关或收发器控制电动机的激活以及帘的转动。
许多已知的机动化的卷帘提供电力(例如120VAC、50/60Hz的220/230VAC等)给来自设施的电动机和控制电子设备，在所述设施中安装有机动化的卷帘。最近研发的电池供电的卷帘通过移除用于将电动机和控制电子设备连接到设施电力的必需品提供了安装灵活性。用于这些卷帘的电池通常被安装在帘安装支架、窗帘盒(headrail)或饰带(fascia)的里面、上面或附近。不幸的是，这些电池供电的系统遭受许多缺陷，包括例如高水平的自发噪声、不足够的电池寿命、不足够或不存在的补偿能力、不足够或不存在的人工操作能力、不方便的安装要求，等等。
发明内容
本申请的实施例有利地提供了用于手动和/或远程控制机动化的卷帘的方法，所述机动化的卷帘包括附接到帘管上的帘、设置在所述帘管内的直流齿轮电动机、以及微控制器。一个实施例包括：利用传感器来检测所述帘的手动移动；确定与所述手动移动相关联的位移；以及，如果所述位移小于最大位移，通过激励所述直流齿轮电动机来转动所述帘管，以将所述帘移动到不同的位置。另一个实施例包括：接收来自遥控装置(remotecontrol)的指令；以及通过激励所述直流齿轮电动机来转动所述帘管，以将所述帘移动到与所述指令相关联的位置。
因此，已经相当广泛地概述了本申请的某些实施例，以便能够更好地理解本文中详细的描述，并且以便能够更好地领会本申请对现有技术所做出的贡献。当然，本申请的其他实施例将在下面被描述并且将构成所附权利要求的主题。
在这方面，在详细解释本申请的至少一个实施例之前，应当理解的是，本申请在其应用上不局限于结构的细节以及在下面描述提出的或者在附图中示例的部件的布置。除了这些被描述的实施例，本申请能够以各种方式被实施和实现。同样，应当理解的是，本文中使用的措辞和术语以及概括均出于表述的目的，不应当被认为是限制性的。
同样地，本领域技术人员应当理解，本申请所基于的构想能够容易地被用作设计其他结构、方法和系统的基础，用于实现本申请的多个目的。因此，重要的是，权利要求应被认为是包括这些等价的结构，只要这些等价的结构不脱离本申请的公开内容和范围。
附图说明
图1A和图1B描述了根据本发明的实施例的机动化的卷帘组件的互补的等距视图；
图2A和图2B描述了根据本发明的实施例的机动化的卷帘组件的互补的等距视图；
图3描述了图2B中所描述的机动化的卷帘组件的分解的等距视图；
图4描述了根据本发明的一个实施例的机动化的管组件的等距视图；
图5描述了图4中所描述的机动化的管组件的部分分解的等距视图；
图6描述了图5中所描述的电动机/控制器单元的分解的等距视图；
图7A和图7B描述了根据本发明的一替换实施例的电动机/控制器单元的分解的等距视图；
图7C、图7D和图7E描述了根据本发明的另一替换实施例的电动机/控制器单元的等距视图；
图8A描述了图4和图5中所描述的电源单元的分解的等距视图；
图8B描述了根据本发明的一替换实施例的电源单元的分解的等距视图；
图8C描述了根据本发明的一替换实施例的电源单元的分解的等距视图；
图9A和图9B描述了根据本发明的一替换实施例的电源单元的分解的等距视图；
图10示出了根据本发明的一实施例的机动化的卷帘的正视图；
图11示出了图10中所描述的机动化的卷帘的沿纵轴的截面图；
图12示出了根据本发明的一实施例的机动化的卷帘的正视图；
图13示出了图12中所描述的机动化的卷帘的沿纵轴的截面图；
图14示出了根据本发明的一实施例的机动化的卷帘的正视图；
图15示出了图14中所描述的机动化的卷帘的沿纵轴的截面图；
图16示出了根据图10至图15中所描述的实施例的机动化的卷帘组件的等距视图；
图17示出了根据本发明的一实施例的用于控制机动化的卷帘20的方法400；
图18至图25示出了示例本发明的各种优选实施例的操作流程图。
具体实施方式
现在将结合附图对本发明进行描述，附图中，相同的附图标记通篇表示相同的部件。这里使用的术语“帘(shade)”描述了能够从存储管展开并且缩回到该存储管上的任何柔性的材料，例如遮棚(shade)、窗帘(curtain)、屏幕(screen)等。
本发明的实施例提供了一种远程控制的机动化的卷帘，其中，电池、直流齿轮电动机和控制电路被全部包含在由轴承支撑的帘管中。两个支撑轴连接到各自的安装支架上，并且所述轴承将帘管可转动地连接到各个支撑轴上。直流齿轮电动机的输出轴被固定到所述支撑轴中的一个上，同时直流齿轮电动机外罩机械地连接到帘管上。因此，操作直流齿轮电动机将导致电动机外罩围绕固定的直流齿轮电动机输出轴转动，这导致帘管同样围绕固定的直流齿轮电动机输出轴转动。因为这些实施例不要求外部输入电力或控制线路、由此为所述机动化的卷帘提供了安装上的较大的灵活性并且可反复安装。
在帘管内部的机动化和控制部件的封装，结合以上描述的轴承的性能和直流齿轮电动机配置的增强的电池容量，极大提高了单组电池提供的工作循环的数量并且提供了高效率的卷帘。此外，封装有利地防止灰尘和其他污染物进入电子设备和驱动部件中。
在一可替换的实施例中，电池可被安装在帘管的外面，并且电力可利用换向器环或滑环(commutator or slip rings)、感应技术等被提供给位于帘管内的部件。此外，外部的电池可被任何外部的直流电源(例如，AC/DC电源转换器、太阳能电池等)替代。
图1A和图1B描述了根据本发明的实施例的具有反向布局(payout)的机动化的卷帘组件10的互补的等距视图。图2A和图2B描述了根据本发明的实施例的具有标准布局的机动化的卷帘组件10的互补的等距视图，同时图3为图2B中所描述的机动化的卷帘组件10的分解的等距视图。在一个实施例中，利用安装支架5和7将机动化的卷帘20安装在窗子、门等的顶部附近。在另一个实施例中，利用还支撑饰带12的安装支架15和17将机动化的卷帘20安装在该窗子的顶部附近。在后一实施例中，饰带端盖(end caps)14和16附接到饰带12以隐藏机动化的卷帘20以及安装支架15和17。
通常，机动化的卷帘20包括帘22和机动化的管组件30。在一优选的实施例中，机动化的卷帘20还包括附接到帘22的底部的底杆(bottom bar)。在一个实施例中，底杆28提供了行程末端止挡件(end-of-travel stop)，同时在一可替换的实施例中，可提供行程末端止挡件24。如下面更详细描述的，在优选的实施例中，为机动化的卷帘20的操作提供电力和控制所需的所有部件都有利地位于机动化的管组件30的内部。
图4和图5描述了根据本发明的一个实施例的机动化的管组件30的等距视图。机动化的管组件30包括帘管32、电动机/控制器单元40和电池供电管(battery tube)单元80。帘22的顶部附接到帘管32的外表面上，同时电动机/控制器单元40和电池供电管单元80都位于由帘管32的内表面限定的内腔内。
图6描述了图5中所描述的电动机/控制器单元40的分解的等距视图。通常，电动机/控制器单元40包括电源连接器42、电路板外罩44、包括直流电动机和一体的电动机齿轮减速组件的直流齿轮电动机55、用于该直流齿轮电动机55的底座(amount)54，以及轴承箱(bearing housing)58。
电源连接器42包括与电源单元80相连接的端子41和与位于电路板外罩44内部的电路板相连接的电缆43。端子41包括正极连接器和负极连接器，所述正极连接器和负极连接器与电源单元80的相配合的正极连接器和负极连接器(例如，插塞式连接器、叶片式连接器、同轴连接器等)紧密配合。在一优选的实施例中，正极连接器和负极连接器不具有择优取向。利用压配合、干涉配合、摩擦配合、键、粘合剂等将电源连接器42机械地连接到遮光器管32的内表面上。
电路板外罩44包括端盖45和外罩主体46，在该外罩主体46内安装有至少一个电路板47。在所描述的实施例中，两个电路板47按照正交的关系被安装在电路板外罩44内。电路板47通常包括感应并控制电动机50的操作、管理和/或调整电源单元80提供的功率等所需的所有的支撑电路和电子部件，包括例如，控制器或微控制器、存储器、无线接收器等。在一个实施例中，微控制器是微芯片8bit微控制器，例如PICI18F25K20，而无线接收器是Micrel接收器，例如MICRF219。利用本地处理器总线、串行总线、串行外围接口等，微控制器可以被连接到无线接收器。在另一实施例中，无线接收器和微控制器可以被集成在单个芯片中，例如，集成在Zensys ZW0201Z波单芯片(Zensys ZW0201Z-Wave SingleChip)等中。
用于无线接收器的天线可以被安装到电路板上或者通常被设置在电路板外罩44的内部。可选地，天线可以被设置在电路板外罩44的外部，包括例如电路板外罩44的外表面，帘管32的内表面，帘管32的外表面、轴承箱58等。利用例如压配合、干涉配合、摩擦配合、键、粘合剂等，电路板外罩44可以被机械地连接到帘管32的内表面上。
在另一个实施例中，还提供了无线发射器，并且与机动化的卷帘20的状态、性能等相关的信息能够被周期性地发送到无线诊断设备中，或者，优选地，响应于来自所述无线诊断设备的特定的查询。在一个实施例中，无线发射器是Micrel发射器，例如MICRF102。还可以包括无线收发器，其中无线发射器和接收器被结合在单个部件中，并且在一个实施例中，无线收发器是Micrel收发器，例如MICRF506。在另一实施例中，无线收发器和微控制器可以被集成在单个模块中，例如，集成在Zensys ZM3102波形单模块(Zensys ZM3102Z-Wave Module)等中。下面详细地讨论微控制器的与机动化的卷帘20的操作相关的功能。
在一可替换的实施例中，帘管32包括一个或多个插槽，以助于无线信号能量到无线接收器的传递以及从无线发射器的传递(如果这样装备的话)。例如，如果无线信号在射频(RF)波段内，则插槽可以有利地与所述信号的波长相匹配。对于一个射频实施例，插槽是1/8”宽和21/2”长；其他的尺寸也可考虑。
直流电动机50电连接到电路板47上，并且具有连接到电动机齿轮减速组件52的输入轴的输出轴。利用例如压配合、干涉配合、摩擦配合、键、粘合剂、机械的紧固件等，直流电动机50还可机械地连接到电路板外罩主体46上。在本发明的各种实施例中，直流电动机50和电动机齿轮减速组件52被提供为单个的机械标准部件，例如由Bühler Motor Inc.(Bühler电动机公司)制造的直流齿轮电动机。
在一个优选的实施例中，直流齿轮电动机55包括24V的直流电动机和具有40：1比率的两级行星齿轮系统，例如Bühler直流齿轮电动机1.61.077.423，并被供应有由八节D号(D-cell)电池堆提供的9.6Vavg的平均电池电压。本发明还考虑了其他可替换的实施例。但是，该优选的实施例提供了相比许多可替换的实施例(包括例如，包括更小的平均电池电压、更小的电池尺寸、12V的直流电动机、三级行星齿轮系统等的实施例)更独特的优势。
例如，在该优选的实施例中，当被供应有9.6Vavg的电池电压时，24V的直流齿轮电动机55获得约0.1A的电流。然而，在相同的扭转载荷和输出速度(例如，30rpm)的情况下，当由4.8Vavg的电池电压供电时，具有相似齿轮系统的12V的直流齿轮电动机(例如，Bühler直流齿轮电动机1.61.077.413)将获得约0.2A的电流。假设相似的电动机效率，在产生相同的功率输出的同时，被供应有9.6Vavg的24V的直流齿轮电动机比被供应有4.8Vavg的12V的直流齿轮电动机有利地少获得约50％的电流。
在本发明的优选实施例中，直流齿轮电动机额定电压比电池产生的电压要大许多，例如，提高两倍或更多，导致直流电动机以降低的速度和扭矩等级(torque rating)工作，这有利地消除了不希望的更高的频率噪声并且从电池获得更小的电流，因此提高了电池寿命。换言之，与在其额定电压下运行的直流齿轮电动机(其在产生更低的运转循环次数时吸取相同的电流量，以产生相等的机械功率)相比，向直流齿轮电动机施加低于额定电压的电压导致该电动机以低于额定速度的速度运转，使得操作更安静并且电池寿命更长。在上述实施例中，当与使用相同电池容量的12V的直流齿轮电动机相比时，在较低电压下运转的24V直流齿轮电动机能够将电池供电的卷帘的循环寿命提高约20％。例如，碱性电池、锌电池和铅酸电池相比锂电池或镍电池能够产生更好的性能。
在另一个实例中，四节D号电池产生约4.8Vavg的平均电池电压，而八节D号电池产生约9.6Vavg的平均电池电压。明显地，与包括4节D号电池堆的实施例相比，包括八节D号电池堆的实施例有利地提供了两倍的电池容量。当然，更小的电池尺寸(例如，C号电池、AA号电池等)提供了比D号电池更小的容量。
在另一个实施例中，为12V直流齿轮电动机提供9.6Vavg增大了电动机的运转速度，这要求更高的齿轮比以提供与以上讨论的24V直流齿轮电动机相同的输出速度。换言之，假设扭转载荷、输出速度(例如30rmp)和平均电池电压(9.6Vavg)相同，则24V直流齿轮电动机的电动机运转速度将为12V直流齿轮电动机的电动机运转速度的大约50％。更高的齿轮比通常要求额外的行星齿轮级，这降低了电动机效率，增大了所产生的噪声，降低了反向转动性能并且可能要求更复杂的电动机控制器。因此，这些包括以9.6Vavg供电的24V齿轮电动机的实施例提供了更高的效率并且使产生的噪声更小。
在一个实施例中，直流电动机50的轴51伸入到电路板外罩44内，并且多极磁体49连接到电动机的轴51的端部上。磁性的编码器(为清晰而未示出)被安装在电路板47上以感应多极磁体49的转动，并且输出对于多极磁体49的每个极性的脉冲，所述脉冲从所述编码器中移动过。在一优选的实施例中，多极磁体49具有八个磁极并且齿轮减速组件52具有30：1的齿轮比，使得磁性编码器对于帘管32的每个周期输出240个脉冲。控制器有利地对这些脉冲进行计数以确定遮棚、窗帘等的工作和位置特性。也可以使用其他类型的编码器，例如光学编码器、机械编码器等。
通过距离/脉冲转换因子(conversion factor)或脉冲/距离转换因子，编码器输出的脉冲的数量可与帘22的线性位移相关联。在一个实施例中，不论帘22的位置如何，该转换因子是不变的。例如，利用帘管32的外直径d，例如1又5/8英寸(1.625英寸)，帘管32的每次旋转使帘22移动π*d或者说约5英寸的线性距离。对于以上讨论的八磁极磁体49和30：1齿轮减速组件52实施例，距离/脉冲转换因子约为0.02英寸/脉冲，而脉冲/距离转换因子约为48脉冲/英寸。在另一个实例中，完全被包裹的帘22的外直径可以在计算中被使用。当帘22的一段被包裹在帘管32上，例如8英尺，被包裹的帘22的外直径取决于帘材料的厚度。在某些实施例中，被包裹的帘22的外直径能够小到1.8英寸或大到2.5英寸。对于后者，距离/脉冲转换因子约为0.03英寸/脉冲，而脉冲/距离转换因子约为30脉冲/英寸。当然，所述两个极端值之间的任何直径(即，帘管32的外直径和被包裹的帘22的外直径)可以被使用。这些近似值产生帘的所计算的线性位移与该帘的实际的线性位移之间的误差，因此，平均或中间直径能够优选地减小该误差。在另一实施例中，转换因子可以是帘22的位置的函数，使得转换因子取决于帘22的所计算的线性位移。
在以下要讨论的各种优选的实施例中，帘22的位置根据已经从帘22的一个已知的位置处检测出的脉冲的数量来确定和控制。当打开位置是优选的时，闭合位置也能够被用作已知的位置。为了确定帘22的整个运动范围，例如，帘能够被电动地移动到打开位置，累计脉冲计数器能够被重新设置，并且帘22能够被手动地或电动地移动到闭合位置。累计的脉冲的总数代表帘的行程的极限，并且任何合适的中间位置都能够根据该数量被计算出。
例如，从打开位置移动到闭合位置的8英尺的帘能够产生3840个脉冲，并且帘22的各个中间位置能够有利地被确定，例如25％开启、50％开启、75％开启等。非常简单，打开位置和75％打开位置之间的脉冲数为960，打开位置和50％打开位置之间的脉冲数为1920，等等。这些预定的位置之间的受控的移动是以累计脉冲计数为依据的。例如，在50％打开位置处，8英尺帘将有1920的累计脉冲计数，并且75％打开位置的受控移动将要求累计脉冲计数增加到2880。相应地，由于帘被部署在已知的位置处，因此帘22的移动基于累计所检测脉冲的数量来确定和控制。脉冲/英寸的平均数能够根据脉冲的总数和帘的长度被计算出来，并且帘22的近似的线性位移能够根据在一给定时间周期范围所累计的脉冲数被计算出来。在该实例中，脉冲/英寸的平均数为40，因此约2英寸的帘22的移动会产生约80个脉冲。通过将累计脉冲计数器重新置零来有利地消除位置误差，而不论帘22何时移动到已知的位置。
底座54支撑直流齿轮电动机55，并且能够机械地连接到帘管32的内表面上。在一个实施例中，底座54的外表面和帘管32的内表面都是光滑的，并且所述机械连接(mechanical coupling)是压配合、干涉配合、摩擦配合等。在另一实施例中，底座54的外表面包括几个凸起的纵向突出物，所述突出物与帘管32的内表面中的相配合的纵向凹进紧密配合。在该实施例中，机械连接是键控的；这些方式的组合也可以被考虑。如果摩擦阻力足够小，可以将电动机/控制器单元40从帘管32中移除，以便于检查或维修；在其他实施例中，可以通过利用粘结剂等将电动机/控制器单元40永久地固定在帘管32的内部。
如上所述，电路板外罩44和底座54能够被机械地连接到帘管32的内表面上。因此，本发明可以考虑至少三种不同的实施例。在一个实施例中，电路板外罩44和底座54都被机械地连接到帘管32的内表面上。在另一个实施例中，仅电路板外罩44被机械地连接到帘管32的内表面上。在又一个实施例中，仅底座54被机械地连接到帘管32的内表面上。
直流齿轮电动机55的输出轴被直接地(为清晰起见未示出)或穿过中间轴62固定到支撑轴60上。当机动化的卷帘20被安装时，支撑轴60被附接到用于防止支撑轴60转动的安装支架上。因为(a)直流齿轮电动机55的输出轴被连接到固定在安装支架上的支撑轴上，以及(b)直流齿轮电动机55被机械地连接到帘管上，操作直流齿轮电动机55导致直流齿轮电动机55围绕固定的输出轴转动，这导致帘管32也围绕该固定的输出轴转动。
轴承箱58包括能转动地连接到支撑轴60的一个或多个轴承64。在一优选的实施例中，轴承箱58包括两个滚动轴承，例如球面滚珠轴承；每个外座圈(outer race)被附接到轴承箱58上，而每个内座圈被附接到支撑轴60上。在一优选的实施例中，两个滚珠轴承间隔约3/8”，以产生约0.8”或20mm的总支撑地带(support land)；在一可替换的实施例中，轴承内间距约是支撑轴60的直径的两倍。本发明还考虑了其他类型的低摩擦轴承。
电动机/控制器单元40还可以包括对重平衡部(counterbalancing)。在一优选的实施例中，电动机/控制器单元40包括附接到中间轴62上的固定杆56。在该实施例中，底座54起到旋转杆的作用，并且平衡弹簧63(为清晰起见，在图5中未示出；如图6中所示)被附接到旋转杆54和固定杆56上。中间轴62可以是六边形的，以利于固定杆56的安装。预装载所述平衡弹簧有利地提高了机动化的卷帘20的性能。
图7A和图7B描述了根据本发明的一可替换实施例的电动机/控制器单元40的分解的等距视图。在该实施例中，外罩67包含电动机/控制器单元40的主要部件，包括直流齿轮电动机55(例如，直流电动机50和电动机齿轮减速组件52)、带有上述支撑电路和电子元器件的一个或多个电路板47、以及至少一个轴承64。直流齿轮电动机55的输出轴53被固定地附接到支撑轴60上，而轴承64的内座圈能转动地附接到支撑轴60上。在一个平衡的实施例中，至少一个盘簧(power spring)65被设置在外罩67内并且可转动地附接到支撑轴60上。外罩67可以由通过一个或多个螺钉、铆钉等固定地或者可移除地连接在一起的两个互补的部分构成。
图7C、图7D和图7E描述了根据本发明的另一个替换实施例的电动机/控制器单元40的等距视图。在该实施例中，外罩68包含直流齿轮电动机55(例如，直流电动机50和电动机齿轮减速组件52)、以及带有上述支撑电路和电子元器件的一个或多个电路板47，而外罩69包括至少一个轴承64。外罩68和69可以彼此可移除地或者永久地连接在一起。直流齿轮电动机55的输出轴53被固定地附接到支撑轴60上，而轴承64的内座圈能转动地附接到支撑轴60上。在一个平衡的实施例中，至少一个盘簧65被设置在外罩69内并且能转动地附接到支撑轴60上。当所描述的实施例包括两个盘簧65时，可以在帘管32内的可用空间中使用三个(或更多个)盘簧65，这取决于所要求的平衡力。外罩68和69可以由通过一个或多个螺钉、铆钉等固定地或者可移除地连接在一起的两个互补的部分构成。
图8A描述了图4和图5中所描述的电源单元80的分解的等距视图。通常，电源单元80包括电池供电管82、外端盖86和内端盖84。外端盖86包括能转动地连接到支撑轴88上的一个或多个轴承90。在一优选的实施例中，外端盖86包括由垫片91分隔的两个低摩擦滚动轴承(例如球面滚珠轴承)；每个外座圈被附接到外端盖86上，而每个内座圈被附接到支撑轴88上。在一个可替换的实施例中，轴承86仅是支承面，优选地是低摩擦支承面，而在另一个可替换的实施例中，支撑轴88被固定地附接到外端盖86上，并且外部的帘支撑支架提供了用于支撑轴88的支承面。
在所描述的实施例中，外端盖86是可移除的并且内端盖84是固定的。在其他实施例中，内端盖84可以是可移除的并且外端盖86可以是固定的，两个端盖都可以是可移除的，等等。可移除的端盖可以是被攻螺纹的、开槽的，等等。
外端盖86还包括连接到电池供电管82上的正极端子(positive terminal)。内端盖84包括连接到电池供电管82上的正极端子以及连接到导电弹簧85的负极端子。当包括至少一节电池的电池堆92被安装在电池供电管82中时，外端盖86的正极端子被电连接到电池堆92中一个电池的正极端子上，并且内端盖84的负极端子被电连接到电池堆92中另一个电池的负极端子上。当然，正极端子和负极端子是可以被颠倒的，因此导电弹簧85接触到电池堆92中的一个电池的正极端子上，等等。
外端盖86和内端盖84都被机械地连接到帘管32的内表面上。在一个实施例中，底座84的外表面和帘管32的内表面都是光滑的，并且所述机械连接是压配合、干涉配合、摩擦配合等。在另一个实施例中，底座84的外表面包括几个凸起的纵向突出物，所述突出物与帘管32的内表面中的相配合的纵向凹进紧密配合。在该实施例中，所述机械连接是键控的；这些方式的组合也可以被考虑。重要的是，摩擦阻力应足够小，使得电源单元80可以从帘管32中被移除，以便于检查、维修以及电池更换。
在一优选的实施例中，电池堆92包括串联的八节D号电池以产生9.6Vavg的平均电池堆电压。本发明还考虑了其他电池尺寸以及可放置在电池供电管82内的其他直流电源。
在电动机/控制器单元40和电源单元80被组合成子组件后，机动化的卷帘20的总装是非常简单的。电连接器42被安装在帘管32的内腔中的预定位置处；电缆43具有足够的长度以允许电动机/控制器单元40的剩余部分保留在帘管32的外面，直到电连接器42被正确地固定好。然后，电动机/控制器单元40的剩余部分被安装在帘管32的内腔内，以使轴承外罩58近似地与帘管32的端部齐平。随后，电源单元80被插入到相反的端部中，直到内端盖84的正极端子和负极端子都接合到电连接器42的端子41上。外端盖86应该近似地与帘管32的端部平齐。
在图8B中所描述的可替换的实施例中，利用压配合、干涉配合、干涉元件(例如O形环89)等将外端盖86机械地连接到帘管32的内表面上，但是内端盖81不被机械地连接到帘管32的内表面上。
在图8C中所描述的可替换的实施例中，帘管32起到电池供电管82的作用，并且电池堆92容易被直接地插入到帘管32中，直到电池堆92的一端紧靠内端盖84。利用电线、箔条(foil strip)、线(trace)等将外端盖86的正极端子连接到内端盖84的正极端子。当然，正极端子和负极端子是可以被颠倒的，从而相应的负极端子被连接。
在另一可替换的实施例中，电池可以被安装在帘管的外面，并且通过利用换向器环或滑环、感应技术等可以将电力提供到位于帘管内部的部件上。此外，外部电池可以被任何外部的直流电源(例如，AC/AD电源转换器、太阳能电池等)替换。
图9A和图9B描述了根据本发明的一替换实施例的电源单元的分解的等距视图。在该实施例中，电源单元80包括具有能够转动地连接到支撑轴88上的一个或多个轴承90的外罩95、用于从外部电源接收电力(power)的电力联接器(power coupling)93、以及用于接合电连接器42的正极端子和负极端子。电缆97(为清晰起见以虚位示出)从电力联接器42延伸，穿过支撑轴88的中空中心部分，到达外部的直流电源。在一优选的实施例中，外罩95包括两个低摩擦滚动轴承90，例如球面滚珠轴承；每个外座圈被附接在外罩95上，而每个内座圈被附接在支撑轴88上。本发明还考虑了其他类型的低摩擦轴承。外罩95可以由通过一个或多个螺钉、铆钉等固定地或者可移除地连接在一起的两个互补的部分构成。
在一个实施例中，支撑轴88滑动地附接到滚珠轴承90的内座圈上，使得支撑轴88能够沿着帘管32的转动轴位移。该可调性有利地允许安装工通过调节支撑轴88的暴露部分的长度来准确地将支撑轴88的端部安装到各个安装支架上。在一优选的实施例中，外端盖86和外罩95能够为支撑轴88提供大约0.5”的纵向移动。此外，安装支架5、7、15和17都被刻有浮雕，使得安装支架的突出部分仅与轴承64和90的内座圈相接触，并且当机动化的卷帘20被不正确地安装时，安装支架的突出部分将不会摩擦帘或帘管32的边缘。在一优选的实施例中，轴承可以在不严重减小电池寿命的情况下容纳由于安装错误导致的高达0.125”的错位。
在一可替换的实施例中，微控制器接收来自有线遥控装置的控制信号。这些控制信号可以各种方式被提供给微控制器，包括例如，通过电缆97、通过被电力联接器容纳的额外的信号线、通过被控制信号联接器容纳的额外的信号线(为清晰起见，未在图9A和图9B中示出)等方式。
本发明的各种其他的实施例在图10至图16中被呈现。图10和图11描述了本发明的不具有对重平衡部的一可替换实施例；图10示出了机动化的卷帘的正视图，而图11示出了机动化的卷帘120的沿纵轴的截面图。在该实施例中，直流齿轮电动机150的输出轴被附接到支撑轴160上，并且不包括中间轴。图12和图13描述了本发明的具有对重平衡部的一可替换实施例；图12示出了机动化的卷帘220的正视图，而图13示出了机动化的卷帘220的沿纵轴的截面图。在该实施例中，直流齿轮电动机250的输出轴被附接到中间轴262上，并且平衡弹簧(为清晰起见，未示出)将旋转杆254连接到固定杆256。图14和图15描述了本发明的具有对重平衡部的一可替换实施例；图14示出了机动化的卷帘320的正视图，而图15示出了机动化的卷帘320的沿纵轴的截面图。在该实施例中，直流齿轮电动机350的输出轴被附接到中间轴362上。盘簧390将中间轴362连接到帘管的内表面。图16示出了根据图10至图15中所描述的实施例的机动化的卷帘组件120、220、320的等距视图。
机动化的卷帘20可被手动控制和/或通过利用无线或有线遥控装置被远程控制。通常，微控制器执行存储在存储器中的对直流齿轮电动机55的运动进行感知和控制的指令，解码并且执行从遥控装置接收到的命令，监视电源电压，等等。多个遥控装置可以与单个机动化的卷帘20一起被使用，并且单个遥控装置可以与多个机动化的卷帘20一起被使用。
图17示出了根据本发明的一个实施例的用于控制机动化的卷帘20的方法400。通常，方法400包括手动控制部分402和远程控制部分404。在一个实施例中，方法400包括手动控制部分402，在另一个实施例中，方法400包括远程控制部分404，在一个优选的实施例中，方法400包括手动控制部分402和远程控制部分404。
在方法400的手动控制部分402期间，帘22的手动运动被检测(410)，与所述手动运动相关联的位移被确定(420)，并且，如果所述位移小于最大位移，那么通过利用直流齿轮电动机55转动帘管32，帘22被移动(430)到不同的位置。
在一个实施例中，微控制器通过监控簧片开关来检测帘22的手动向下运动，而在一个可替换的实施例中，微控制器仅监控编码器。在一个优选的实施例中，在初始的向下运动或拖曳(tug)被簧片开关检测到后，微控制器开始对由帘管32相对于固定电动机轴51的转动所产生的编码器脉冲进行计数。当编码器脉冲结束时，向下运动已经停止，并且，帘22的位移被确定并且之后与最大位移进行比较。在一个实施例中，帘位移仅是由微控制器所接收到的编码器脉冲的总数，并且最大位移是预定的编码器脉冲数。在另一个实施例中，微控制器将编码器脉冲转换成线性距离，并且随后将所计算出的线性距离与最大位移(比如2英寸)进行比较。
在一个实例中，编码器脉冲的最大数是80，这在某些实施例中可能代表大约2英寸的线性帘移动。如果由微控制器接收到的编码器脉冲的总数大于或等于80，那么微控制器不会激励(energize)直流齿轮电动机55，并且帘22仅仅继续停留在新的位置处。另一方面，如果由微控制器编码器接收到的脉冲的总数小于80，那么通过激励直流齿轮电动机55以转动帘管，微控制器将帘22移动到一个不同的位置。当微控制器确定帘22已经到达所述不同的位置之后，直流齿轮电动机55断电。
在优选的实施例中，由于帘22被布置在已知的位置处，因此微控制器通过累计编码器脉冲的数量来保持帘22的当前位置。如上所述，所述已知的(例如，打开)位置具有累计脉冲计数0，每个不同的中间位置都具有相关的累计脉冲计数，例如960、1920等。当帘22沿向下的方向移动时，微控制器增加累计脉冲计数器的值；当帘22沿向上的方向移动时，微控制器减小累计脉冲计数器的值。从脉冲编码器接收到的每个脉冲都逐一增加或减小累计脉冲计数器的值。当然，微控制器可将每个脉冲计数转换成线性距离，并且以英寸、毫米等为单位进行这些计算。
在一个优选的实施例中，帘22的有限的手动向下移动导致微控制器将该帘移动到位于当前位置的正上方的一个位置处，例如，25％打开、50％打开、75％打开、100％打开等。每一个所述预定位置都具有一个相关的累计脉冲计数，并且微控制器通过对累计脉冲计数器中的值和预定位置的累计脉冲计数进行比较来确定帘22已经到达不同的位置；当累计脉冲计数器的值等于预定位置累计脉冲计数时，帘22已经到达所述不同的位置。
本发明还考虑了预定位置的其他集合，例如，0％打开、50％打开、100％打开；0％打开、33％打开、66％打开、100％打开；0％打开、10％打开、20％打开、30％打开、40％打开、50％打开、60％打开、70％打开、80％打开、90％打开、100％打开；等等。有利地，与每个位置相关联的累计脉冲计数可以被用户重新编程以设置一个或多个自定义位置。
帘22的手动向上移动可以通过利用编码器被检测和测量，所述编码器能够感应方向和旋转，例如是增量式旋转编码器、相对旋转编码器、正交编码器等。在其他实施例中，帘22的有限的向上运动导致微控制器将该帘移动到位于当前位置上面的一个位置处，等等。
在方法400的远程控制部分404期间，接收(440)来自遥控装置的命令，以及将帘22移动(450)到与所述命令相关联的位置处。
在优选的实施例中，遥控装置是具有多个帘位置按钮的无线发送器，所述按钮与将帘22移动到不同位置的各种命令相关联。所述按钮激活开关，所述开关可以是机电的，例如，瞬时接触开关等；所述开关可以是电的，例如，触摸板、触摸屏等。基于激活这些开关中的一个，无线发射器向机动化的卷帘20发送一个包括发射器标识符以及与已激活的按钮相关联的指令的消息。在优选的实施例中，遥控装置被预先编程，以使每个帘位置按钮将控制帘移动到预定的位置。此外，遥控装置功能能够被体现在计算机程序中，所述程序能够有利地被寄存在无线设备上，例如iPhone。所述无线设备可直接与机动化的卷帘20进行通信，或者通过中间网关、桥接器、路由器、基站等与机动化的卷帘20进行通信。
在这些优选的实施例中，机动化的卷帘20包括无线接收器，所述无线接收器接收和解码所述消息，并且将所述消息发送给微控制器供进一步处理。所述消息可以被存储在无线发射器中并且然后在解码之后立刻发送给微控制器，或者所述消息可以例如根据微控制器的请求等被周期性地发送到微控制器。一个优选的无线协议是Z波(Z-Wave)协议，虽然本发明考虑了其他无线通信协议。
当微控制器已经接收到所述消息后，微控制器解释所述指令并且发送适当的控制信号给直流齿轮电动机55，以按照所述指令移动帘。如上所述，直流齿轮电动机55和帘管32一起转动，这将延伸或缩回帘22。此外，所述消息可以在移动帘之前被验证，并且所述指令可以在编程以设置帘的预定部署的过程中被使用。
例如，如果累计脉冲计数器显示为3840并且帘22是0％打开，那么接收50％打开的指令将导致微控制器去激励直流齿轮电动机55，以使帘22向上移动到该指令的位置。当帘22正在移动时，每当从编码器接收到一个脉冲，微控制器使累计脉冲计数器的计数减一，并且，当累计脉冲计数器达到1920时，微控制器使直流齿轮电动机55断电(de-energize)，这将使帘22停止在50％打开位置处。在一个实施例中，如果当帘22正在移动时接收到不同的指令，那么微控制器可停止帘22的移动。例如，如果帘22正在朝向上的方向移动并且闭合(0％打开)指令被接收到，那么微控制器可使直流齿轮电动机55断电，以停止帘22的移动。类似地，如果帘22正在朝向下的方向移动并且100％打开指令被接收到，则微控制器会使直流齿轮电动机55断电，以停止帘22的移动。本发明还考虑了其他组合，例如将帘22移动到与第二指令相关联的预定位置处，等等。
在一优选的实施例中，使帘移动到100％打开位置的指令将累计脉冲计数器重新设置为0，并且当编码器脉冲结束时，微控制器使直流齿轮电动机55断电。重要的是，当帘22已经缩回到100％打开位置时，行程末端止挡件(比如，底杆28、止挡件24等)与在安装支架上的相应结构接合。该物理接合使帘管32的转动停止并且使直流齿轮电动机55熄火。微控制器感应到编码器已经停止发送脉冲(例如，持续一秒钟)并且使直流齿轮电动机55断电。当帘22正在沿另一个方向移动时，微控制器可检查行程末端脉冲计数，以防止帘22延伸越过预定极限。
在其他的实施例中，帘22的移动可仅通过利用相对脉冲计数被确定。例如，如果帘22的当前位置是100％打开，并且将帘22移动到50％打开位置的指令被接收到，那么微控制器可仅激励直流齿轮电动机55，直到微控制器已经从编码器接收到一定数量的脉冲。换言之，与预定位置相关联的脉冲计数是与直接位于上面或下面的预定位置有关，而不是与已知的位置有关。
对于该优选的实施例，图18和图25中示出了对机动化的卷帘20进行编程以从特定的遥控装置处接收指令，而图20至图24示出了对机动化的卷帘20进行编程或教导以将帘22配置和缩回到各种预设或预定的位置，例如打开位置、闭合位置、25％打开位置、50％打开位置、75％打开位置等。本发明还考虑了其他编程设计方法。
在其他的实施例中，制动器可被应用到机动化的卷帘20中，以停止帘22的移动，并在帘已经移动到新的位置后防止不希望的转动或漂移。在一个实施例中，通过将一个或多个机电开关、功率FETS、MOSFETS等应用到制动器上，微控制器将直流齿轮电动机55的正极端子连接到直流齿轮电动机55的负极端子。在另一个实施例中，直流齿轮电动机55的正极端子和负极端子都能够接地，这可有利地引出可以忽略的电流。在负极接地系统中，直流齿轮电动机55的负极端子已经与大地相连接，因此微控制器仅需要将直流齿轮电动机55的正极端子连接到大地。相反地，在正极接地系统中，直流齿轮电动机55的正极端子已经与大地相连接，因此微控制器仅需要将直流齿轮电动机55的负极端子连接到大地。
一旦直流齿轮电动机55的正极端子和负极端子被连接，如上所述，帘管32的任何转动都将导致直流齿轮电动机55产生电压或反电动势，所述电压或反电动势被反馈到直流齿轮电动机55中产生动态制动效果。本发明还考虑了其他制动机构，例如摩擦制动器、机电制动器、电磁制动器、永磁单面制动器等。当帘22的手动移动被检测到后以及在激励直流齿轮电动机55去移动帘22之前，微控制器释放制动器。
在一个可替换的实施例中，当帘22已经被移动到新的位置之后，直流齿轮电动机55的正极端子或负极端子被连接到大地，以施加最大量的制动力并且使帘22完全停止。然后，微控制器通过低值电阻器将直流齿轮电动机55的正极端子和负极端子连接在一起，例如，利用其他的MOSFET将已减小的制动力施加到帘22，这将防止帘22漂移，但是允许使用者在长的位移上拉动帘而没有很大的阻力。在这个实施例中，当检测到帘的手动移动之后，制动器没有被释放，以便在手动移动过程中提供小量的阻力。
图18至图25示出了示例本发明的各种优选实施例的操作流程图。其中示例的功能通常被当作由微控制器执行的指令来被实施。图18示出了包括手动控制操作流程、远程控制操作流程以及结合的操作流程的主循环(Main Loop)500。主循环500退回到各个子程序，包括子程序“拖曳移动”600(图19)、子程序“移动25”700(图20)、子程序“移动50”800(图21)、子程序“移动75”900(图22)、子程序“向上移动”1000(图23)、以及子程序“向下移动”1100(图24)，它们返回到主循环500的控制。上电后，子程序“上电”1200(图25)被执行，并且随后退回到主循环500。
下文描述根据本发明的各种实施例的机动化的卷帘20的一个实例。帘管32是具有1.750英寸的外直径和0.062英寸的壁厚的铝管。每个轴承64和90都包括两个尺寸为30mmOD×10mm ID×9mm宽的钢珠轴承，两个钢珠轴承之间间隔0.250”。换言之，一共提供了四个钢珠轴承，在机动化的卷帘20的每一端提供有两个钢珠轴承。
直流齿轮电动机55是Bühler直流齿轮电动机1.61.077.423，正如上述讨论的。电池供电管82容纳6至8节D号碱性电池，并且提供6V至12V范围的电压，这取决于电池的数量、贮藏寿命、帘管组件的圈数等。帘22是柔性的织物，所述织物是34英寸宽、60英寸长、0.030英寸厚并且0.100磅/平方英尺(lbs/sq.ft)重，例如Phifer Q89Wicker/Brownstone。具有0.5英寸直径的铝制圆形的幕杆28附接到帘22上以提供密封(taughtness)和行程末端止挡件。平衡弹簧63是时钟弹簧，当帘22已经到达58英寸的向下移位之后，该时钟弹簧给帘22提供了1.0至1.5英寸-磅的平衡扭矩。在该实例中，根据摩擦，Bühler直流齿轮电动机吸取的电流范围在0.06安培至0.12安培之间。
本发明的许多特征和优势能够明显从详细的说明书中看出，因此属于本发明的实际精神和范围的所有特征和优势都应该被包含在所附权利要求书中。进一步，由于本领域技术人员很容易进行各种修改和变型，因此本发明中所示例和所描述的结构和操作不用于限制本发明，并且，所有的适当的修改和等同物都应属于本发明的范围。

Claims (30)

1.一种用于操作卷帘的系统，包括：
卷管；
可操作地连接到所述卷管的帘；
直流电动机，该直流电动机具有额定电压，该直流电动机可操作地连接到所述卷管并且构造成使所述卷管转动；
直流电源，该直流电源可操作地连接到所述直流电动机并且构造成向所述直流电动机提供处于平均电压的直流电，其中，所述直流电源能够供应到所述直流电动机的最大平均电压小于所述直流电动机的额定电压的一半；
平衡组件，该平衡组件可操作地连接到所述卷管并且构造成向所述卷管提供平衡力。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述直流电动机与所述卷管之间的连接部包括齿轮系统。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述齿轮系统具有介于40:1与20:1之间的齿轮比。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述齿轮系统包括多级行星齿轮系统。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述最大平均电压为大约9.6伏，所述直流电动机的额定电压为大约24伏。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述最大平均电压为大约4.8伏，所述直流电动机的额定电压为大约24伏。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述最大平均电压为大约4.8伏，所述直流电动机的额定电压为大约12伏。
8.根据权利要求1所述系统，其中，所述最大平均电压介于所述直流电动机的额定电压的40％和20％之间。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述平衡组件包括至少一个弹簧。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述平衡组件包括旋转杆和固定杆。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述平衡组件包括一个或多个弹簧，其中，所述一个或多个弹簧的第一端部与所述卷管一起转动，而所述一个或多个弹簧的第二端部在所述卷管转动时保持静止。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述直流电动机设置于所述卷管的第一端部内，所述平衡组件设置于所述卷管的第二端部内。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述直流电源位于所述卷管内。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述直流电动机与所述卷管一起转动。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述卷管被构造成在下述两种条件的任一种条件下转动：所述直流电源向所述直流电动机供电，以及所述帘被手动地移动。
16.一种用于操作卷帘的方法，包括：
提供直流电动机，该直流电动机具有额定电压；
用直流电源向所述直流电动机供应直流电，其中被供应的该直流电的电压为平均小于所述直流电动机的额定电压的一半的电压；
使一组齿轮中的至少一个齿轮转动；
当所述电动机操作和帘被手动地移动两种情况发生至少一种时，使可操作地连接到所述帘的卷管转动；
提供平衡组件，该平衡组件可操作地连接到所述卷管并且构造成向所述卷管提供平衡力；
其中，所述一组齿轮是所述直流电动机和所述卷管之间的机械连接部的一部分；
其中，所述卷管转动的次数少于所述电动机的输出轴的回转次数。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述直流电源能够供应到所述直流电动机的最大平均电压为大约9.6伏，所述直流电动机的额定电压为大约24伏。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述直流电源能够供应到所述直流电动机的最大平均电压为大约4.8伏，所述直流电动机的额定电压为24伏至12伏。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述卷管每转动一次，所述电动机的输出轴转动40次至20次。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，通过设置在所述卷管内的直流电源来供应所述直流电。
21.根据权利要求16所述的方法，其中，所述直流电动机与所述卷管一起转动。
22.根据权利要求16所述的方法，其中，齿轮系统将所述直流电动机的输出可操作地连接到所述卷管，其中，所述齿轮系统足够小的齿轮比以允许所述帘在不破坏所述齿轮系统的情况下进行手动运动。
23.根据权利要求16所述的方法，其中，所述一组齿轮具有在40:1至20:1之间的齿轮比。
24.根据权利要求16所述的方法，其中，向所述直流电动机供应直流电的直流电源所具有的最大平均电压介于所述直流电动机的额定电压的40％和20％之间。
25.根据权利要求16所述的方法，其中，所述平衡组件包括至少一个弹簧。
26.根据权利要求16所述的方法，其中，所述平衡组件包括一个或多个弹簧，其中，所述一个或多个弹簧的第一端部与所述卷管一起转动，而所述一个或多个弹簧的第二端部在所述卷管转动时保持静止。
27.根据权利要求16所述的方法，其中，所述直流电动机设置于所述卷管的第一端部内，所述平衡组件设置于所述卷管的第二端部内。
28.一种构造卷帘的方法，包括：
将帘可操作地附接到卷管；
将具有额定电压的直流电动机可操作地连接到所述卷管，从而所述电动机使所述卷管转动；
将平衡组件可操作地连接到所述卷管；
通过所述平衡组件向所述卷管提供平衡力；
将来自直流电源的直流电以最大平均电压提供到所述电动机；
其中，所述直流电源供应该所述直流电动机的所述最大平均电压小于所述直流电动机的额定电压的一半。
29.一种窗帘，包括：
具有额定电压的直流电动机；
可操作地连接到所述直流电动机的帘；
可操作地连接到所述直流电动机的电源；
可操作地连接到所述帘的平衡组件，所述平衡组件被构造成向所述帘提供平衡力；
其中，所述电源具有最大平均电压；
其中，所述电源的所述最大平均电压小于所述直流电动机的额定电压的一半；
其中，当从所述电源向所述直流电动机供电时，所述直流电动机执行打开所述帘和闭合所述帘中的至少一者。
30.一种窗帘，包括：
具有额定电压的直流电动机；
可操作地连接到所述直流电动机的帘；
可操作地连接到所述直流电动机的电源；
可操作地连接到所述帘的平衡组件，所述平衡组件被构造成向所述帘提供平衡力；
其中，所述电源具有最大平均电压，
其中，所述直流电动机具有12伏至24伏的额定电压，
其中，所述电源由四个或八个电池形成，
其中，所述电源的所述最大平均电压小于所述直流电动机的额定电压的一半；
其中，当从所述电源向所述直流电动机供电时，所述直流电动机打开所述帘或闭合所述帘。
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